Supercondutividade: um fenômeno quântico macroscópico
Excelente palestra do físico
Eduardo Miranda sobre
fenômenos quânticos em escala macroscópica, incluindo a supercondutividade.
Excelente palestra do físico
Eduardo Miranda sobre
fenômenos quânticos em escala macroscópica, incluindo a supercondutividade.
por Nicole
Johnson, University of
Houston
Paul Chu (à direita) é o Diretor Fundador e Cientista Chefe do Texas Center for Superconductivity at the University of Houston (TcSUH). Liangzi Deng (à esquerda) é professor assistente de pesquisa física no TcSUH. Crédito: Universidade de Houston.
O diretor do Texas Center for Superconductivity, Paul Chu, juntamente com sua equipe, desenvolveu uma técnica
que consiste em preservar a fase supercondutora de alta temperatura mesmo
após a remoção da pressão que induziu o surgimento da fase.
Pengcheng Dai,
professor de física e astronomia da Rice
University, e seu grupo, contribuíram para demonstrar com sucesso a
possibilidade da técnica de arrefecimento por pressão em um
modelo supercondutor de alta temperatura , o seleneto de
ferro (FeSe). Os resultados foram publicados na revista Proceedings
of the National Academy of Sciences .
“Nós derivamos o método de extinção de
pressão da formação do diamante artificial a partir da grafite por Francis
Bundy e de outros compostos metaestáveis”, disse Chu. “O grafite se transforma em diamante quando submetido a alta
pressão em altas temperaturas. O subsequente resfriamento rápido da pressão, ou
remoção da pressão, deixa a fase de diamante intacta sem pressão.”
Chu e sua equipe
aplicaram esse mesmo conceito a um material supercondutor com
resultados promissores.
“O seleneto de ferro é considerado
um supercondutor simples de alta temperatura com uma Tc
= 9K à pressão ambiente”, disse
Chu.
“Quando aplicamos pressão, a Tc aumentou
para ~ 40K, mais do que quadruplicando o valor, permitindo-nos distinguir
inequivocamente a fase PQ (pressure-quench) supercondutora da fase não-PQ
original. Em seguida, tentamos conservar a fase supercondutora de alta Tc
após a remoção da pressão usando o método PQ, e descobrimos que podemos”.
A conquista do Dr. Chu e
seus colegas leva os cientistas um passo mais perto de realizar o sonho
da supercondutividade à temperatura e pressão ambiente, recentemente
relatada em hidretos apenas sob pressão extremamente alta.
Para operar um
dispositivo supercondutor, é necessário resfriá-lo abaixo de sua temperatura
crítica (Tc), o que requer energia. Quanto maior for a Tc,
menos energia será necessária. Portanto, aumentar a Tc até
a temperatura ambiente tem sido a força motriz dos cientistas na pesquisa
da supercondutividade desde sua descoberta.
Desafiando a
crença de que a Tc não poderia exceder 30K, Paul Chu e
colegas descobriram em 1987 a supercondutividade com uma Tc = 93K em
uma nova família de compostos. A Tc tem sido
continuamente elevada a 164K por Paul Chu e
outros grupos de cientistas. Recentemente, uma Tc de 287K
foi obtida por Dias e colaboradores da Universidade de Rochester no
sistema sulfeto de hidrogênio-carbono sob 267 gigapascal (GPa).
“Nosso método permite fazer o material
supercondutor com maior Tc sem pressão. Não há razão para que a
técnica não possa ser aplicada igualmente aos hidretos que mostraram sinais de
supercondutividade com uma Tc próxima da temperatura ambiente”.
Fonte: https://phys.org/news/2021-07-pressure-high-temperature-superconductivity.html
Mais informações:
Liangzi
Deng et al, Pressure-induced
high-temperature superconductivity retained without pressure in FeSe single
crystals, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2108938118.
Com informações
da Agência Fapesp - 08/06/2021
O eletreto Li5C
integra uma classe de compostos com diversas aplicações tecnológicas.
[Imagem: Zenner S. Pereira et al. -
10.1021/acs.jpcc.1c02329]
A existência
de um novo material supercondutor à base de lítio acaba de ser
prevista em simulações computacionais realizadas por pesquisadores do Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais
(CDMF).
O novo
material, que agora deverá ser sintetizado e testado, é o eletreto Li5C.
Os eletretos são
uma classe de materiais nos que os elétrons se comportam como ânions,
ou íons negativos.
Isso dá a
esses materiais propriedades físicas que podem ter várias aplicações
tecnológicas, como terminais de baterias, emissores de elétrons, colheita de eletricidade, materiais supercondutores e
até computadores
moleculares.
Zenner Pereira e seus colegas
usaram um método de análise da estrutura cristalina conhecido como “otimização
de enxames de partículas”. Eles desenvolveram um novo algoritmo que busca
inúmeras combinações de elementos para encontrar materiais que sejam estáveis
ou metaestáveis. Foi aí que surgiu o Li5C.
Zenner, que é professor da
Universidade Federal Rural do Semi-Árido (Ufersa - RN), afirma que o material
demonstrou nas simulações a mais alta temperatura crítica de supercondução já
prevista.
“O próximo passo é continuar na busca e predição por novos materiais supercondutores. O que sabemos é que o nosso trabalho pode guiar pesquisadores experimentais na síntese deste eletreto e há evidências da existência de muitos eletretos supercondutores ainda não sintetizados,” afirmou.
Bibliografia:
Artigo: Predicted Superconductivity in the Electride Li5C.
Autores: Zenner S. Pereira, Giovani M. Faccin, Edison Z. da Silva
Revista: The Journal of Physical Chemistry C
Vol.: 125, 16, 8899-8906
DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c02329
Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/04/2021
Repentinamente,
os elétrons começam a movimentar-se em camadas monoatômicas. [Imagem: Greg
Stewart/SLAC]
Escolhendo
viver em 2D
O
fenômeno da supercondutividade - quando materiais passam a conduzir a
eletricidade sem qualquer resistência - tem resistido a todos os esforços dos
cientistas para explicá-lo.
A
teoria mais aceita, baseada na conjugação de elétrons em pares - chamados pares de
Cooper - é sabidamente insuficiente para explicar o que ocorre
nos diferentes tipos de supercondutores.
É por
isso que os experimentos realizados por Carolina Parra
e seus colegas da Universidade de Stanford,
nos EUA, causaram sensação na comunidade científica.
Parra
observou o surgimento não de duplas, mas de “poças” de elétrons emergindo em
camadas atômicas 2D no interior de um bloco 3D de um material supercondutor.
Supercondutividade
interdimensional
Dentro
das poças, os elétrons supercondutores se comportam como se estivessem
confinados em um plano atomicamente fino, semelhante a uma folha, uma situação
que exige que eles de alguma forma cruzem para outra dimensão, onde se aplicam
as regras bem diferentes da física quântica.
“Este é um exemplo torturante de
comportamento emergente, que muitas vezes é difícil ou impossível de replicar
tentando projetá-lo do zero,” destaca o professor Hari Manoharan,
coordenador da pesquisa. “É como se, ao receber o poder de superconduzir, os elétrons
3D optassem por viver em um mundo 2D.”
A
equipe batizou o novo fenômeno de “supercondutividade interdimensional” e
sugere que é assim - passando de unidimensional para bidimensional e,
finalmente, tridimensional - que os supercondutores fazem as transições que os
levam para um comportamento de metal, de semicondutor e finalmente até um
isolante completo, quando não transmitem nenhuma eletricidade - e de volta pelo
mesmo caminho até a supercondutividade.
Conforme
observaram as mudanças de fase, usando imageamento ultrarrápido, a equipe
mapeou os movimentos dos elétrons no supercondutor e viu como eles se
reorganizam, saindo do 1D (elétrons confinados em seus átomos, tornando o
material um isolante), passando por 2D (“poças” bidimensionais, tornando o
material transicionar rapidamente para a supercondutividade) e chegando ao 3D,
em que os elétrons movem-se livremente, transmitindo eletricidade com 100% de
eficiência.
Pesquisas
em materiais 2D
O
material utilizado é um supercondutor de alta temperatura chamado BPBO, devido
aos seus quatro ingredientes atômicos - bário, chumbo, bismuto e oxigênio.
E a
equipe acredita que seus resultados terão implicações práticas para a
sintetização de materiais 2D.
“A maioria dos métodos para fazer
materiais 2D são abordagens de engenharia, como o cultivo de filmes com algumas
camadas atômicas de espessura ou a criação de uma interface nítida entre dois
materiais e o confinamento de um estado 2D ali,” disse Parra. “[Nosso experimento] oferece uma maneira
adicional de chegar a esses estados supercondutores 2D. É mais barato, você não
precisa de equipamentos sofisticados que requerem temperaturas muito baixas e
não leva dias e semanas. A única parte complicada seria obter a composição
perfeita do material.”
Bibliografia:
Artigo: Signatures
of two-dimensional superconductivity emerging within a three-dimensional host
superconductor
Autores: Carolina Parra, Francis C. Niestemski, Alex W. Contryman, Paula
Giraldo-Gallo, Theodore H. Geballe, Ian R. Fisher, Hari C. Manoharan
Revista: Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.2017810118