Impulsionando a supercondutividade para temperatura ambiente

Eva Zurek , Departamento de Química, Universidade de Buffalo, SUNY, Buffalo NY, EUA

Dois estudos independentes relatam a supercondutividade a temperaturas recordes em materiais ricos em hidrogênio sob extrema pressão.

Figura 1. Esquema (à esquerda) da bigorna de diamante usada para estudar o comportamento do LaH₁₀ sob alta pressão. (Direita) Esboço da estrutura cristalina em forma do LaH₁₀ responsável pela supercondutividade de alta temperatura observada por Hemley[2] e Eremets[3]. (Esquerda) APS/Alan Stonebraker; (Direita) E. Zurek, adaptado por APS/Alan Stonebraker.

     Em 2015, a compressão do sulfeto de hidrogênio a 150GPa, ou cerca de 40% da pressão encontrada no núcleo da Terra, rendeu um supercondutor de 203K [1]. Notavelmente, dois grupos independentes [2,3] relataram experimentos indicando que um hidreto de lantânio comprimido a 170-185GPa tem uma temperatura crítica de 250-260K [2,3].

     Em 1968, o físico Neil Ashcroft previu que o hidrogênio metálico deveria ter todas as propriedades necessárias para ser um supercondutor de alta temperatura, de acordo com a teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) [4]. Infelizmente, a metalização do hidrogênio em experimentos de compressão mostrou-se extremamente difícil. Ashcroft previu ainda que certos sólidos ricos em hidrogênio poderiam se tornar metálicos a pressões mais baixas do que o hidrogênio elementar e que eles teriam as mesmas propriedades da supercondutividade de alta temperatura [5]. Essa hipótese catalisou a busca pela supercondutividade em hidretos sob altas pressões.

     Para estudar a supercondutividade nesses materiais sob gigantescas pressões, os pesquisadores precisam realizar experimentos em bigornas de diamante. Esses experimentos são caros, tecnicamente desafiadores e podem ser difíceis de interpretar. Além disso, as fases do material que são estáveis ​​sob alta pressão podem ser diferentes daquelas que sabemos ocorrer em condições atmosféricas. Como resultado, os cálculos baseados em mecânica quântica tornaram-se extremamente importantes para orientar esses experimentos, em particular por meio da identificação de compostos promissores [6].

     Na última década, essas técnicas teóricas e computacionais se concentraram em hidretos binários. Pesquisadores calcularam valores extremamente altos, alguns até superando a temperatura ambiente para hidretos contendo metais alcalino-terrosos ou metais de terras raras [7]. Em 2017, grupos liderados por Hemley [8] e Yanming Ma [9] previram que certos hidretos de terras raras com uma grande relação hidrogênio-metal se tornariam estáveis ​​a pressões alcançáveis ​​em bigornas de diamante. Esses materiais ricos em hidrogênio têm estruturas cristalinas que lembram as estruturas semelhantes a gaiolas. Um dos hidretos mais promissores, o hidreto de lantânio (LaH₁₀), consiste de uma rede de hidrogênio feita de poliedros com faces quadradas ou hexagonais, com um átomo de metal de terras raras situado no centro de cada poliedro. Assumindo que este sistema pode ser descrito pela teoria BCS, os pesquisadores previram a sua temperatura crítica situada entre 270 e 290K a 200GPa [8,9].

     No início de 2018, o grupo de Hemley conseguiu sintetizar o LaH₁₀ [10]. Agora, as equipes de Hemley [2] e Eremet [3] relataram assinaturas experimentais da supercondutividade no LaH₁₀ sob pressões extremas. Para medir com precisão a resistência elétrica, os grupos tiveram que garantir contatos confiáveis ​​entre a amostra e os eletrodos e controlar as composições e condições da amostra (por exemplo, impedindo a formação de fases adicionais). O grupo de Hemley desenvolveu uma nova técnica de síntese na qual o LaH₁₀ foi produzido in situ usando borano de amônia (NH₃BH₃) como fonte de hidrogênio. À medida que a amostra foi resfriada sob uma pressão de 185GPa, eles observaram uma queda dramática da resistência elétrica que indicou uma Tc de 260K. Um segundo conjunto de experimentos sugeriu que a Tc poderia chegar a 280K sob pressão de 200GPa. Medições de difração de raios-X sugeriram que a fase supercondutora poderia ser o LaH₁₀ e descartou a possibilidade de que a queda de resistência elétrica tenha sido causada por uma transição estrutural induzida pela temperatura.

     A equipe de Eremets sintetizou o hidreto através de uma reação direta de lantânio elementar ou trihidreto de lantânio (LaH₃) e hidrogênio. Eles observaram quedas acentuadas na resistência, da qual derivaram a Tc em função da pressão. Para o LaH₁₀, o mais alto valor da Tc, 250K, foi medido a 170GPa. Outra fase não identificada do hidreto, que coexistiu com o LaH₁₀ na mesma amostra, exibiu uma Tc de 215K [11]. A equipe de Eremets também observou duas assinaturas características da supercondutividade. Primeiro, a aplicação de um campo magnético reduziu a Tc, como esperado para um supercondutor BCS tipo II. Segundo, a Tc exibiu o chamado efeito isotópico - diminuiu quando o hidrogênio foi substituído por deutério.

     Esses dados são fortemente sugestivos de supercondutividade, mas para provar isso sem sombra de dúvida, seria necessário observar o efeito Meissner - a expulsão de um campo magnético de um material quando ele se torna supercondutor. Medir este efeito é, no entanto, um desafio: para o recordista anterior da Tc, o sulfeto de hidrogênio, o efeito Meissner só foi demonstrado vários anos após a descoberta de sua supercondutividade. Uma vez que as amostras de hidreto de lantânio são significativamente menores do que as amostras do sulfeto de hidrogênio, demonstrar o efeito Meissner para o LaH₁₀ exigirá esforços experimentais substanciais.

     Mais trabalhos teóricos e experimentais serão necessários para identificar as múltiplas redes cristalinas contidas nas amostras. Os dados sugerem fortemente que uma delas é o LaH₁₀, mas a identidade das outras estruturas permanece desconhecida. Esta informação será essencial para compreender a relação entre a estrutura do cristal e a supercondutividade e, possivelmente, revelar novas fases supercondutoras que possam ter uma Tc ainda maior. E o alto valor da Tc do LaH₁₀ certamente motivará os experimentalistas a investigar sistemas similares, como o hidreto de ítrio, cuja previsão da Tc excede a temperatura ambiente [8,9].

     No campo da supercondutividade, a maioria das inovações foi inesperada, desafiando muitas vezes o conhecimento convencional da época. O caso do hidreto mostra que isso está mudando: cálculos teóricos podem ser usados para conceber racionalmente novos materiais que sejam de alta Tc, supercondutores do tipo BCS. Os avanços computacionais permitirão identificar outras espécies complexas que, ao contrário dos hidretos binários, como o LaH₁₀, pode permanecer estável quando descomprimido. E novas técnicas para a síntese e caracterização de cristais permitirão o teste experimental de previsões teóricas. Graças a esse ciclo de retroalimentação entre teoria e experimento, poderemos em breve ter um supercondutor que trabalhe próximo à temperatura ambiente e a pressões que poderiam ser alcançadas em dispositivos muito mais simples que as bigornas de diamante, como as prensas usadas para comprimir pós em comprimidos farmacêuticos.

Fonte: https://physics.aps.org/articles/v12/1

Referências

1. A. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov, and S. I. Shylin, “Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system,” Nature 525, 73 (2015).

2. M. Somayazulu, M. Ahart, A. K. Mishra, Z. M. Geballe, M. Baldini, Y. Meng, V. V. Struzhkin, and R. J. Hemley, “Evidence for superconductivity above 260 K in lanthanum superhydride at megabar pressures,” Phys. Rev. Lett. 122, 027001 (2019).

3. A. P. Drozdov et al., “Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures,” arXiv:1812.01561.

4. N. W. Ashcroft, “Metallic hydrogen: A high-temperature superconductor?,” Phys. Rev. Lett. 21, 1748 (1968).

5. N. W. Ashcroft, “Hydrogen dominant metallic alloys: High temperature superconductors?,” Phys. Rev. Lett. 92, 187002 (2004).

6. E. Zurek and W. Grochala, “Predicting crystal structures and properties of matter under extreme conditions via quantum mechanics: The pressure is on,” Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 2917 (2015).

7. E. Zurek and T. Bi, “High-temperature superconductivity in alkaline and rare earth polyhydrides at high pressure: A theoretical perspective,” J. Chem. Phys. (to be published).

8. H. Liu, I. I. Naumov, R. Hoffmann, N. W. Ashcroft, and R. J. Hemley, “Potential high-Tc superconducting lanthanum and yttrium hydrides at high pressure,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114, 6990 (2017).

9. F. Peng, Y. Sun, C. J. Pickard, R. J. Needs, Q. Wu, and Y. Ma, “Hydrogen clathrate structures in rare earth hydrides at high pressures: Possible route to room-temperature superconductivity,” Phys. Rev. Lett. 119, 107001 (2017).

10. Z. M. Geballe, H. Liu, A. K. Mishra, M. Ahart, M. Somayazulu, Y. Meng, M. Baldini, and R. J. Hemley, “Synthesis and stability of lanthanum superhydrides,” Angew. Chem. Int. Ed. 57, 688 (2018).

11. A. P. Drozdov, V. S. Minkov, S. P. Besedin, P. P. Kong, M. A. Kuzovnikov, D. A. Knyazev, and M. I. Eremets, “Superconductivity at 215 K in lanthanum hydride at high pressures,” arXiv:1808.07039.