Pesquisadores sintetizam material que é supercondutor em temperatura ambiente

 

 

Comprimindo sólidos moleculares simples como o hidrogênio a pressões extremamente altas, engenheiros e físicos da Universidade de Rochester criaram, pela primeira vez, um material que é supercondutor a temperatura ambiente.

       Ao estabelecer o novo recorde, Ranga Dias e sua equipe combinaram hidrogênio, carbono e enxofre para sintetizar fotoquimicamente um simples hidreto em uma célula de bigorna de diamante, um dispositivo de pesquisa usado para examinar quantidades minúsculas de materiais sob pressão extraordinariamente alta. O hidreto exibiu a supercondutividade em torno de 58°F a uma pressão de cerca de 39 milhões de PSI.

       A quantidade de material supercondutor criado pelas células de bigorna diamante é medida em picolitros — do tamanho de uma única partícula de jato de tinta.

       O próximo desafio, segundo Dias, é encontrar maneiras de criar materiais supercondutores em temperatura ambiente a pressões mais baixas, para que sejam viáveis de produzir em grande volume. Em comparação com os milhões de quilos de pressão criados nas células de bigorna de diamantes, a pressão atmosférica da Terra no nível do mar é de cerca de 15 PSI.

Poderosos eletroímãs supercondutores já são componentes críticos de trens maglev, ressonância magnética (MRI) e máquinas de ressonância magnética nuclear (RMN), aceleradores de partículas e outras tecnologias avançadas, incluindo supercomputadores quânticos.

       Mas os materiais supercondutores usados nos dispositivos funcionam apenas em temperaturas extremamente baixas, mais do que qualquer temperatura natural na Terra. Essa restrição torna cara a sua manutenção e muito caro para outras aplicações potenciais. “O custo para manter esses materiais em temperaturas criogênicas é tão alto que você não pode obter o benefício total deles”, diz Dias.

       Anteriormente, a maior temperatura para um material supercondutor foi alcançada no ano passado no laboratório de Mikhail Eremets do Instituto Max Planck, e no grupo Russell Hemley na Universidade de Illinois em Chicago.

       Nos últimos anos os pesquisadores exploraram óxidos de cobre e compostos à base de ferro como candidatos a supercondutores de alta temperatura. No entanto, o hidrogênio oferece um promissor bloco de construção.

       “Para ter um supercondutor de alta temperatura, você quer ligações fortes e elementos leves. Esses são dois critérios básicos”, afirma Dias. “O hidrogênio é o material mais leve, e a ligação de hidrogênio é uma das mais fortes. Teoricamente, o hidrogênio metálico sólido possui alta temperatura de Debye e forte acoplamento elétron-fônon, necessário para a supercondutividade a temperatura ambiente”, diz Dias.

       No entanto, pressões extraordinariamente altas são exigidas para obter hidrogênio puro no estado metálico. Visando contornar essa dificuldade, Dias e colaboradores usam como alternativa materiais ricos em hidrogênio que imitam a fase de supercondutora do hidrogênio puro, e podem ser metalizados a pressões mais baixas.

       Primeiro eles combinaram ítrio e hidrogênio. O superhidreto de ítrio resultante exibiu supercondutividade a uma temperatura recorde de 12°F a uma pressão de cerca de 26 milhões de libras por polegada quadrada.

       Em seguida, o laboratório explorou materiais orgânicos covalentes ricos em hidrogênio. Esse trabalho resultou no hidreto carbonáceo de enxofre. “A presença do carbono é de importância equivalente aqui”, relatam os pesquisadores. Mais ‘ajustes composicionais’ dessa combinação de elementos podem ser a chave para alcançar a supercondutividade a temperaturas ainda mais altas, acrescentam.

 

 

Fonte: https://phys.org/news/2020-10-room-temperature-superconducting-material.html

 

 

Mais informações: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z.

 

Supercondutores a temperatura ambiente já estão na prancheta

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/11/2019

Os hidretos supercondutores estão prestes a romper a barreira da supercondutividade a temperatura ambiente. Os supercondutores "originais" (BCS) são representados por círculos verdes, os férmions pesados por estrelas verdes, os alótropos de carbono por triângulos vermelhos, os fulerenos por triângulos roxos, ferrosos por quadrados alaranjados e cupratos por diamantes azuis. A temperatura ambiente (room temperature) está no alto à direita. [Imagem: P.J.Ray - CC BY-SA 4.0]

Supercondutor a temperatura ambiente

Podemos estar mais perto de alcançar a supercondutividade à temperatura ambiente do que todos previam.

A supercondutividade é a ausência de resistência elétrica em um condutor. Como a resistência torna todos os sistemas elétricos menos eficientes, eliminar ao menos parte dessa resistência utilizando supercondutores de temperatura ambiente deverá revolucionar toda a geração, transmissão e uso da eletricidade.

Nos últimos dois meses, duas equipes independentes correram para disponibilizar seus resultados entusiasmantes. Como a revisão pelos pares nas publicações científicas demora bastante, os dois grupos anteciparam rascunhos de seus trabalhos no repositório aberto arXiv.

As duas equipes, uma do Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo, na Rússia, e outra do Instituto Max Planck de Química, na Alemanha, trabalharam com um material à base do elemento químico ítrio.

Nenhum dos dois grupos conseguiu ainda sintetizar seu composto, mas há tempos o campo da supercondutividade tem trabalhado assim, com previsões teóricas guiando os experimentalistas na síntese do material previsto, algo que por vezes acontece muito rapidamente.

Foi assim no início deste ano, quando uma equipe norte-americana flagrou a supercondutividade a meros -13º C, embora a pressões muito elevadas.

Supercondutores de ítrio e tório

Ivan Troyan e seus colegas calcularam que um super-hidreto de ítrio, o YH₁₀, atingirá a fase supercondutora a 53°C. “Tentamos muitas vezes, encontramos uma maneira de produzir YH₆. Mas o YH₁₀ será o próximo passo”, contou o professor Artem Oganov, coordenador da equipe.

A temperatura crítica (Tc) abaixo da qual o YH₆ se tornou supercondutor foi de -49,15º C a 166 GPa, cerca de 1,6 milhão de vezes a pressão atmosférica.

O hiato supercondutor e a superfície de Fermi do YH₁₀ e do YH₆, mostrando os elétrons que participam do emparelhamento supercondutor. [Imagem: ACS (2019)]

Poucas semanas depois, a equipe alemã liderada pelo professor Mikhail Eremets relatou uma Tc (temperatura crítica) de -46,15º C a 237 GPa para o mesmo YH₆. Mas eles têm uma vantagem porque já conseguiram sintetizar o YH₉.

“A história do hidreto de ítrio ainda não terminou,” destacou Eremets. “Pessoalmente, não tenho dúvidas de que o YH₁₀ será produzido, provavelmente muito em breve," concordou Oganov, “seja por nós, seja por Eremets ou por algum outro [grupo de pesquisa]”.

Mostrando avanços em outra linha, a equipe de Oganov acaba de publicar também resultados promissores com compostos do elemento tório, com o hidreto ThH₁₀, este sim, já sintetizado, atingindo a supercondutividade a -112,15º C, mostrando que o ítrio não é um caso isolado, e que as pesquisas vão avançar também por outras rotas.

Bibliografia:

Artigo: Synthesis and Superconductivity of Yttrium Hexahydride Im3¯m-YH6.
Autores: I. A. Troyan, D. V. Semenok, A. G. Kvashnin, A. G. Ivanova, V. B. Prakapenka, E. Greenberg, A. G. Gavriliuk, I. S. Lyubutin, V. V. Struzhkin, A. R. Oganov
Revista: arXiv
DOI: 10.1016/j.mattod.2019.10.005
Link: https://arxiv.org/abs/1908.01534

Artigo: Superconductivity up to 243 K in yttrium hydrides under high pressure
Autores: P. P. Kong, V. S. Minkov, M. A. Kuzovnikov, S. P. Besedin, A. P. Drozdov, S. Mozaffari, L. Balicas, F. F. Balakirev, V. B. Prakapenka, E. Greenberg, D. A. Knyazev, M. I. Eremets
Revista: arXiv
Link: https://arxiv.org/abs/1909.10482

Artigo: Superconductivity at 161 K in thorium hydride ThH10: Synthesis and properties
Autores: Dmitry V. Semenok, Alexander G. Kvashnin, Anna G. Ivanova, Volodymyr Svitlyk, Vyacheslav Yu. Fominski, Andrey V. Sadakov, Oleg A. Sobolevskiy, Vladimir M. Pudalov, Ivan A. Troyan, Artem R. Oganov
Revista: Materials Today

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutores-temperatura-ambiente-ja-estao-prancheta&id=010115191113&ebol=sim#.XdoAQOhKiDI

Supercondutor à temperatura ambiente é mesmo possível

Pulsos ultracurtos de laser permitiram tirar fotografias da estrutura eletrônica do material conforme ele retornava de uma fase de não-equilíbrio. [Imagem: Pixabay]

Laser revelador

       Um experimento com raios laser pulsados, usados em pesquisas de materiais, revelou algo com que o mundo da tecnologia sonha há muito tempo: supercondutores que funcionam a temperatura ambiente são mesmo possíveis.

       A revelação veio quando um composto cerâmico de cobre, oxigênio e bismuto foi analisado por Simone Peli, da Universidade Católica do Sagrado Coração, na Itália.

       Usando as fontes de raio laser pulsado do laboratório SISSA, Simone e seus colegas conseguiram identificar a condição exata em que os elétrons no material não se repelem mutuamente, o que é essencial para que a eletricidade flua sem resistência.

       A novidade é que tudo ocorreu a temperatura ambiente, e não nas temperaturas criogênicas necessárias para que a supercondutividade se manifeste nos materiais usados hoje em máquinas de exames médicos ou em laboratórios como o LHC.

Supercondutor a temperatura ambiente

       A equipe se concentrou em um supercondutor específico, que tem propriedades físicas e químicas altamente complexas, sendo composto por quatro tipos diferentes de átomos, incluindo cobre e oxigênio - ele pertence à família dos cupratos.

       “Usando um pulso de laser, nós tiramos o material do seu estado de equilíbrio. Um segundo pulso, ultracurto, então nos permitiu desembaraçar os componentes que caracterizam a interação entre os elétrons enquanto o material estava retornando ao equilíbrio. Metaforicamente, foi como tirar uma série de fotografias das diferentes propriedades desse material em momentos diferentes,” escreveu a equipe em seu artigo.

       Por meio desta abordagem, Simone e seus colegas descobriram que “neste material, a repulsão entre os elétrons e, portanto, suas propriedades isolantes, desaparece mesmo a temperatura ambiente. É uma observação muito interessante, pois este é o pré-requisito essencial para transformar um material em um supercondutor.”

O desafio agora é ir mudando cuidadosamente a estrutura química do material - sua receita - até conseguir que a supercondutividade se manifeste a temperatura ambiente. [Imagem: Simone Peli et al. - 10.1038/nphys4112]

Impactos ambientais positivos

       Tendo descoberto que os pré-requisitos para a fabricação de um supercondutor à temperatura ambiente de fato existem, a equipe acredita que agora será uma questão de calibrar os ingredientes que formam o material para obter um supercondutor a temperatura ambiente.

       “Poderemos usar este material como um ponto de partida e mudar sua composição química, por exemplo,” explicaram os pesquisadores.

       Quando conseguirem isto - além de ficarem todos milionários - eles estarão lançando as bases de uma verdadeira revolução industrial, mudando toda a infraestrutura energética, o que incluirá uma drástica redução no consumo de energia, com enormes impactos ambientais positivos.

Bibliografia:

Mottness at finite doping and charge instabilities in cuprates. Simone Peli, S. Dal Conte, R. Comin, N. Nembrini, A. Ronchi, P. Abrami, F. Banfi, G. Ferrini, D. Brida, S. Lupi, M. Fabrizio, A. Damascelli, M. Capone, G. Cerullo, C. Giannetti. Nature Physics. DOI: 10.1038/nphys4112.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutor-temperatura-ambiente-mesmo-possivel&id=010115170522&ebol=sim

Filmes finos exibem supercondutividade de alta temperatura (Thin Films Become Superconductive At Higher Temperatures)

 

Este filme fino à base de ferro conduz eletricidade a 35 °C acima do zero absoluto, sem a necessidade de dopagem.

 

Pesquisadores no Japão descobriram uma transição para o estado supercondutor em um filme fino de ferro e selênio a uma temperatura muito acima do zero absoluto, um potencial ganho para o campo da supercondutividade.

       Eles também conseguiram desvendar o mecanismo pelo qual isto ocorre: a acumulação de elétrons em uma densidade extremamente elevada sobre a superfície da película. A alta temperatura no qual a transição ocorre, -238 °C ou 35 °C acima do zero absoluto, amplia a gama de possíveis experiências e das aplicações em supercondutividade.

       Além disso, os pesquisadores mostraram que o filme de seleneto de ferro de aproximadamente dez nanômetros de espessura exibe uma temperatura de transição de 35 K, quatro vezes maior que a temperatura para o mesmo tipo de película com uma espessura de 110 nm.

       “Nós usamos um transistor de camada dupla com uma tensão de 5,5 V aplicados em filmes finos epitaxiais de FeSe para induzir o estado supercondutor”, disse Hidenori Hiramatsu, co-autor da pesquisa.

       “Descobrimos que os elétrons tinham se acumulado a um nível muito elevado no canal FeSe, o que causou a transição de alta temperatura para a supercondutividade. O fato de filmes finos de FeSe mudarem de isolante para supercondutor a 35 K significa que podemos examinar a indução de supercondução sem ter que realizar a dopagem com impurezas, que podem degradar a estrutura do material e os portadores de carga”, afirma o principal autor do estudo, Kota Hanzawa.

       “Nós agora devemos ser capazes de determinar a mais alta temperatura absoluta em que a transição para a supercondutividade pode ocorrer. Isso pode beneficiar pesquisas e aplicações em todo o nosso campo”.

Fonte1: http://www.asianscientist.com/2016/05/in-the-lab/superconductivity-high-temperature-fese/

Fonte2: http://www.pnas.org/content/113/15/3986

Supercondutividade induzida por laser (Superconductivity: footballs with no resistance)

Laser intenso remove a resistência elétrica de uma camada do cristal de K₃C₆₀, uma molécula contendo 60 átomos de carbono semelhante à bola de futebol. Isto é observado a temperaturas de -170 °C. © J. M. Harms

Físicos do Instituto Max Planck usaram pulsos de laser no K₃C₆₀, e por uma fração de segundo, observaram o estado supercondutor acima de 100 K, cerca de -170 °C. Como fulerenos têm uma estrutura química relativamente simples, os pesquisadores esperam ser capazes de obter uma melhor compreensão do fenômeno da supercondutividade induzida por luz através de suas novas experiências. Esses insights podem ajudar no desenvolvimento de um material que conduz eletricidade à temperatura ambiente, sem perdas e sem excitação óptica.

Andrea Cavalleri e seus colegas pretendem preparar o caminho para o desenvolvimento de materiais supercondutores à temperatura ambiente. Sua observação de que os fulerenos, quando excitados com pulsos de laser tornam-se supercondutores, leva a um passo mais perto de alcançar este objetivo. Esta descoberta pode contribuir para uma compreensão mais profunda da supercondutividade induzida por luz, uma vez que é mais fácil formular uma explicação teórica para os fulerenos do que para os cupratos. Uma explicação completa deste efeito pode, por sua vez, ajudar os cientistas a terem uma melhor compreensão da supercondutividade de alta temperatura e fornecer uma receita para um supercondutor artificial à temperatura ambiente.

Em 2013, pesquisadores do grupo de Andrea Cavalleri demonstraram que, sob certas condições, pode ser possível um material ser supercondutor à temperatura ambiente. Um óxido cerâmico que pertence à família dos cupratos se tornou supercondutor sem qualquer resfriamento durante alguns trilionésimos de segundo quando os cientistas usaram um pulso de laser infravermelho. Um ano mais tarde, cientistas em Hamburgo apresentaram uma possível explicação para este efeito.

Eles observaram que, na sequência de excitação com o flash de luz, os átomos mudam de posição. Esta mudança persiste no estado supercondutor. Em termos gerais, a mudança de posição induzida pela luz na estrutura abre caminho para que os elétrons se movam através da cerâmica sem perdas. No entanto, a explicação é muito dependente da estrutura cristalina altamente específica dos cupratos. Como o processo foi entendido na época, poderia ter envolvido um fenômeno que só surge neste tipo de materiais.

A equipe comandada por Cavalleri, se perguntou se a luz também pode quebrar a resistência elétrica de mais supercondutores tradicionais.

As moléculas do K₃C₆₀ consistem de 60 átomos de carbono que se ligam na forma de uma bola de futebol: uma esfera compreendendo pentágonos e hexágonos. Com a ajuda de íons de potássio carregados positivamente intercalados, que funcionam como um tipo de cimento, os fulerenos carregados negativamente se unem uns aos outros para formar um sólido. Este assim chamado fulleride alcalino é um metal que se torna supercondutor abaixo de -250 °C.

Os pesquisadores irradiaram o fulleride alcalino com pulsos de luz infravermelhos de alguns bilionésimos de um microssegundo e repetiram o experimento em uma gama de temperaturas entre a temperatura crítica e a temperatura ambiente. Eles definiram a frequência da fonte de luz para que produzisse vibrações nos fulerenos. Isto faz com que os átomos de carbono oscilem de tal maneira que os pentágonos se expandam e contraiam. Espera-se que esta alteração na estrutura gere a supercondutividade em temperaturas elevadas de uma forma semelhante ao processo dos cupratos.

Para testar isso, os cientistas irradiaram a amostra com um segundo pulso de luz, ao mesmo tempo do pulso de infravermelhos, ainda que a uma frequência de terahertz. A força com que este pulso é refletido indica a condutividade do material. O resultado foi uma condutividade extremamente alta. “Estamos bastante confiantes de que induzimos a supercondutividade a -170 °C”, diz Daniele Nicoletti. Isto significa que a experiência em Hamburgo apresenta uma das maiores temperaturas críticas observada fora da classe dos cupratos.

“Agora estamos planejando a realização de outras experiências que nos permitirão chegar a uma compreensão mais detalhada dos processos vistos aqui”, diz Nicoletti. O que eles gostariam de fazer agora é analisar a estrutura cristalina durante a excitação com a luz infravermelha. Como era anteriormente o caso do cuprato, isto deve ajudar a explicar o fenômeno. Os pesquisadores, então, gostariam de irradiar o material com pulsos de luz que duram muito mais tempo. “Embora isso seja tecnicamente muito complicado, poderia estender a vida útil da supercondutividade, tornando-se potencialmente relevante para aplicações”, conclui Nicoletti.

 

Fonte1: http://www.mpg.de/9949877/superconductivity-fullerenes-light-induced

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature16522.html

Pesquisadores descobrem novas propriedades da supercondutividade (Waterloo physicists discover new properties of superconductivity)

 Físicos da Universidade de Waterloo descobriram, num determinado tipo de supercondutor de alta temperatura, evidência experimental do que é conhecido como nematicidade eletrônica - quando nuvens de elétrons se encaixam dentro de uma ordem direcional e alinhada. Os resultados podem eventualmente levar a uma teoria que explique por que a supercondutividade ocorre em temperaturas mais elevadas em certos materiais.

       “Neste estudo, identificamos alguns alinhamentos inesperados dos elétrons - um achado que provavelmente é genérico para os supercondutores de alta temperatura e com o tempo pode vir a ser um ingrediente-chave do problema”, diz David Hawthorn, professor no departamento de Física e Astronomia da Universidade de Waterloo.

Os resultados mostram evidências de nematicidade eletrônica como uma característica universal em supercondutores de alta temperatura (os cupratos). Cupratos são cerâmicas de óxido de cobre, compostas de camadas bidimensionais ou planos de cobre e oxigênio, separadas por outros átomos. Eles são conhecidos como os melhores supercondutores de alta temperatura. Mas esses supercondutores de alta temperatura tem sido um desafio para prever, muito menos explicar.

       “Tornou-se evidente nos últimos anos que os elétrons envolvidos na supercondutividade podem formar padrões, listras ou tabuleiros de damas, e exibem diferentes simetrias – alinhando preferencialmente ao longo de uma direção. Esses padrões e simetrias levam a consequências importantes para a supercondutividade - eles podem competir, coexistir ou até mesmo melhorar a supercondutividade,” diz David Hawthorn.

       Os cientistas usaram uma nova técnica chamada espalhamento de raios-x macio, no Canadian Light Source, para sondar o espalhamento dos elétrons em camadas específicas da estrutura cristalina do cuprato. Especificamente, eles observaram os planos individuais de CuO₂ onde a nematicidade eletrônica ocorre, contra as distorções cristalinas entre os planos de CuO₂.

       A nematicidade eletrônica acontece quando os orbitais dos elétrons se alinham como uma série de hastes (bastões). O termo nematicidade comumente se refere a cristais líquidos quando se alinham espontaneamente sob um campo elétrico. Neste caso, os orbitais dos elétrons entram no estado nemático quando a temperatura cai abaixo de um ponto crítico.

       Os cupratos podem se tornar supercondutores pela adição de elementos que removem elétrons do material, um processo conhecido como dopagem. Um material pode ser otimamente dopado para alcançar a supercondutividade a uma temperatura mais elevada e mais acessível, mas para estudar como a supercondutividade ocorre, os físicos frequentemente trabalham com o material “underdoped”, ou seja, quando o nível de dopagem é menor do que o necessário para maximizar a temperatura supercondutora.

       Os resultados deste estudo mostram que provavelmente a nematicidade eletrônica ocorre em todos os cupratos “underdoped”.

       Os físicos também querem compreender a relação da nematicidade com um fenômeno conhecido como flutuações nas ondas de densidade de carga (charge density wave). Normalmente, os elétrons estão numa boa, distribuídos uniformemente, mas o ordenamento de carga pode fazer com que os elétrons se agrupem, como ondulações em uma lagoa. Isso configura uma competição, em que o material está flutuando entre os estados supercondutor e normal até que a temperatura esfrie o suficiente para a supercondutividade prevalecer.

       Embora não exista ainda um consenso sobre o porquê a nematicidade eletrônica ocorre, ela pode vir a apresentar outro botão para sintonizar a busca por um supercondutor que funcione à temperatura ambiente.

       “O trabalho futuro vai abordar como a nematicidade eletrônica pode ser sintonizada, ao modificar a estrutura cristalina”, diz David Hawthorn.

Fonte: https://uwaterloo.ca/stories/waterloo-physicists-discover-new-properties