O supercondutor que funciona na temperatura da Terra (The Superconductor That Works at Earth Temperature)

Pesquisadores descobriram um material que superconduz numa temperatura significativamente mais quente do que o ambiente mais frio da terra. Isso deve inaugurar uma nova era de pesquisa em supercondutividade.

       No ano passado, Mikhail Eremets e colaboradores fizeram uma afirmação extraordinária que o sulfeto de hidrogênio (H₂S) superconduz à temperatura de -70 °C. Isso é cerca de 20 graus mais quente do que qualquer outro material já descoberto. Na época, os físicos foram cautelosos sobre o trabalho. A história da supercondutividade está repleta de afirmações dúbias de atividade de alta temperatura que mais tarde acabam por ser impossível de reproduzir. Nos meses seguintes, Eremets e colaboradores trabalharam duro para reunir as peças finais de provas conclusivas.

Existem essencialmente três características que os físicos procuram como prova de que um material é um supercondutor convencional. A primeira é uma súbita queda na resistência elétrica, quando o material é arrefecido abaixo de sua temperatura crítica. A segunda é a expulsão dos campos magnéticos de dentro do material, um fenômeno conhecido como efeito Meissner. A terceira é uma mudança na temperatura crítica quando átomos do material são substituídos por isótopos. Isso porque a diferença de massa isotópica faz com que a estrutura vibre de forma diferente, o que muda a temperatura crítica.

       Mas há outro tipo de supercondutividade que é muito menos compreendida. Trata-se de certas cerâmicas descobertas na década de 1980 que superconduzem à temperaturas de cerca de -110 °C, denominadas high-T_C (alta temperatura crítica). Ninguém sabe exatamente como isso funciona, mas grande parte da pesquisa científica atual em supercondutividade tem incidido sobre estes materiais exóticos.

       Os trabalhos de Eremets e colaboradores talvez mudem isso. A maior surpresa sobre sua descoberta é que ela não envolve um supercondutor de alta temperatura. Em vez disso, o H₂S é um supercondutor convencional do tipo que nunca tinha sido visto trabalhando a temperaturas superiores a 40 K. Eremets e sua equipe submeteram o material a pressões extremamente elevadas, equivalentes àquelas do centro da Terra. Ao mesmo tempo, eles conseguiram encontrar evidências de todas as características importantes da supercondutividade.

       Enquanto o trabalho experimental avança, os teóricos coçam a cabeça para explicar isso. Muitos físicos acreditavam que havia alguma razão teórica para supercondutores convencionais não funcionarem acima de 40 K. Mas, na verdade, não há nada na teoria que impede a supercondutividade a temperaturas mais elevadas.

       De fato, na década de 1960, o físico britânico Neil Ashcroft previu que o hidrogênio seria supercondutor a altas temperaturas em pressões elevadas, talvez até mesmo à temperatura ambiente. Sua ideia era que o hidrogênio é tão leve que deve constituir uma estrutura capaz de vibrar em frequências muito elevadas e, portanto, de supercondutores a altas temperaturas e altas pressões.

       A descoberta de Eremets parece ser uma demonstração dessa ideia. Ou, pelo menos, algo parecido. Existem numerosos aspectos teóricos que precisam ser resolvidos antes de os físicos afirmarem que possuem uma compreensão adequada do que está acontecendo. Este trabalho teórico está em curso.

       Agora, a corrida é para encontrar outros supercondutores que funcionem a temperaturas ainda mais elevadas. Um candidato promissor é o H₃S. E, claro, os físicos estão começando a pensar sobre as aplicações. Existem inúmeros desafios na exploração deste material, não menos importante, porque ele existe em forma supercondutora apenas em pequenas amostras dentro de bigornas em alta pressão. Mas isso não impediu as especulações. “Esta descoberta é relevante não só na ciência dos materiais e matéria condensada, mas também em outras áreas que vão desde computação quântica à física quântica da matéria viva”, dizem Bianconi e Jarlborg.

Fonte1: http://www.technologyreview.com/view/542856/the-superconductor-that-works-at-earth-temperature/

Fonte2: arxiv.org/abs/1510.05264

Supercondutor quente detona recorde de temperatura

Redação do Site Inovação Tecnológica -  19/08/2015

O aparelho usado no experimento é incrivelmente simples: a pressão extrema é conseguida apertando-se os parafusos da bigorna, enquanto a amostra estudada fica comprimida entre dois diamantes superpolidos. [Imagem: Thomas Hartmann/MPIC]

Supercondutor quente

Em alguns campos, pesquisas exaustivas parecem se arrastar por anos sem que nada de muito significativo, ou realmente radical, apareça.

Até que, de repente, tudo parece acontecer ao mesmo tempo, com novidades a todo instante, pulando como pipocas da panela.

É o que está acontecendo agora no campo da supercondutividade.

Há poucos dias, uma equipe dos EUA e da China chegou muito próximo de demonstrar a supercondutividade a temperatura ambiente, graças à sintetização do estaneno, uma folha monoatômica de estanho.

Agora, uma equipe alemã, trabalhando em uma frente completamente diferente, descobriu como fazer que um material comum e malcheiroso superconduza a apenas -70º C - alguns até poderiam argumentar que isto já é temperatura ambiente, ainda que na Antártica.

O recorde anterior para um “supercondutor de alta temperatura” era -110º C, mas sempre envolvendo cerâmicas complexas, difíceis de obter e caracterizar, o que tem feito com que muitos comecem a duvidar das atuais teorias que tentam explicar a supercondutividade. Para a “supercondutividade convencional”, com materiais não complexos, o recorde de temperatura continuava na casa dos -234º C.

Gás vira metal, que vira supercondutor

Alexander Drozdov e Mikhail Eremets, do Instituto Max Planck de Química, na Alemanha, trabalharam com um material simples e muito comum, o sulfeto de hidrogênio (H₂S), o gás responsável pelo malcheiro dos ovos podres.

Eles comprimiram o gás em uma bigorna de diamante até 1,6 milhão de vezes a pressão atmosférica, o suficiente para vê-lo transformar-se em um metal, e viram sua resistência à passagem da corrente elétrica desaparecer a meros 203,5 K, cerca de -70º C.

Os químicos acreditam que a passagem do H₂S para H₃S é crucial para o surgimento da supercondutividade. [Imagem: Defang Duan et al. - 10.1038/srep06968]

Supercondutores a temperatura ambiente

O experimento gerou uma nova onda de entusiasmo na comunidade científica em busca da supercondutividade a temperatura ambiente, sobretudo porque, há menos de um ano, um grupo de físicos chineses desenvolveu um novo modelo teórico que previa que o H₂S poderia se tornar supercondutor a até -69º C quando, sob alta pressão, ele sofre uma transição para H₃S.

E, neste campo, novos entendimentos sobre qual seria o gatilho que dispara a supercondutividade podem levar à busca por outros compostos que possam apresentar o mesmo comportamento em temperaturas cada vez mais altas.

“Não há limite teórico para a temperatura de transição dos supercondutores convencionais, e nossos experimentos dão-nos razões para termos esperança de que a supercondutividade pode até mesmo ocorrer a temperatura ambiente”, disse Eremets.

Enquanto os teóricos se debatem com os modelos e a interpretação dos novos dados, os experimentalistas vão continuar comprimindo outros materiais isolantes em busca de materiais que se livrem da resistência elétrica a temperaturas cada vez mais distantes da Antártica, rumo ao Equador, indicando que novas pipocas poderão pular da panela nos próximos meses.

Bibliografia:

Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system. Alexander P. Drozdov, Mikhail I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov, S. I. Shylin, Nature Physics. Vol.: Published online DOI: 10.1038/nature14964.

Pressure-induced metallization of dense (H₂S)₂H₂ with high-Tc superconductivity. Defang Duan, Yunxian Liu, Fubo Tian, Da Li, Xiaoli Huang, Zhonglong Zhao, Hongyu Yu, Bingbing Liu, Wenjing Tian, Tian Cui. Nature Scientific Reports Vol.: 4, Article number: 6968. DOI: 10.1038/srep06968.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutor-quente&id=010115150819#.VdTns7JViko

Explicado o segredo do supercondutor H2S (Secret of record-breaking superconductor explained)

A superfície de Fermi no sulfeto de hidrogênio sob 200 GPa de pressão. (Cortesia: Ion Errea, Matteo Calandra et al.)

A supercondutividade convencional pode ocorrer em temperaturas muito mais altas do que o esperado, de acordo com cálculos feitos por uma equipe internacional de físicos liderada por Matteo Calandra do Instituto IMPMC em Paris. Os pesquisadores desenvolveram um modelo teórico para explicar o recorde da supercondutividade relatada no ano passado para o sulfeto de hidrogênio (H₂S), o qual a equipe atribui a interações relativamente simples semelhantes aquelas que ocorrem em supercondutores convencionais de baixa temperatura.

        Supercondutores de baixa temperatura são bem descritos pela teoria BCS, em que interações com fônons levam ao emparelhamento de elétrons em pares de Cooper que viajam através do material sem resistência. A maior temperatura crítica (T_C) para esta classe de supercondutores é apenas 39 K (para o MgB₂).

        Apesar da grande quantidade de pesquisa feita sobre supercondutores de alta temperatura, grande parte da física subjacente à sua supercondutividade permanece desconhecida. Esse mistério foi aprofundado no final do ano passado quando Mikhail Eremets e colaboradores descobriram que quando submetido a uma pressão extremamente alta (200 GPa), o H₂S tem uma T_C de 190 K (Veja aqui). Enquanto a T_C de supercondutores de alta temperatura pode ser aumentada pela aplicação de pressão, o H₂S parece destinado a tornar-se o novo recordista se a medida for confirmada.

        A coisa estranha sobre o H₂S é que - ao contrário de outros supercondutores de alta temperatura – ele não existe em um estado magnético, e, portanto, se assemelha mais a um supercondutor convencional. Essa observação levou Calandra e colegas a usar a teoria BCS como ponto de partida para os seus cálculos.

        As interações entre os elétrons e as vibrações dos átomos de hidrogênio são a chave para a compreensão da supercondutividade no H₂S. O hidrogênio tem uma massa muito pequena e vibra em frequências relativamente elevadas. Estes modos de alta frequência interagem fortemente com elétrons e deve resultar em um supercondutor com uma T_C muito alta. Quando Calandra e colegas utilizaram a teoria BCS para calcular a T_C do H₂S em alta pressão, eles obtiveram um valor de 250 K - muito maior do que o observado 190 K.

        A equipe acredita que a T_C real é um pouco menor, porque a teoria BCS assume que os átomos vibram no material como osciladores harmônicos simples. No entanto, átomos leves como hidrogênio sofrem oscilações anarmônicas mais complicadas, e isso pode enfraquecer significativamente as interações que criam os pares de Cooper. Depois de levar em conta os efeitos anarmônicos em seus cálculos, os pesquisadores calcularam uma T_C muito mais realista de 194 K.

Aumentando a pressão

        Os cálculos também sugerem que a interação entre os efeitos anarmônicos e outras propriedades do material resulta numa T_C constante entre 200-250 GPa. Observar esse efeito no laboratório seria um bom teste para os cálculos, Calandra diz não ter conhecimento de quaisquer medições acima de 200 GPa. Ele ressalta que a experiência de 200 GPa foi extremamente difícil de fazer, e que Eremets e colegas são provavelmente os únicos pesquisadores capazes de estudar o H₂S a pressões mais elevadas.

        “A descoberta de Eremets e nosso trabalho teórico fundamentam o caminho para a busca da supercondutividade de alta T_C em hidretos e materiais à base de hidrogênio em geral”, diz Calandra. “Nesta classe de materiais deve ser possível encontrar supercondutores com uma T_C da mesma ordem (ou superior) do que o H₂S a alta pressão”, acrescenta.

        Elisabeth Nicol da Universidade de Guelph no Canadá está entusiasmada com os resultados. “O surpreendente é que podemos ter um supercondutor de elétron-fônon que opera a 190 K”, diz ela. Nicol, que não estava envolvido nos cálculos, acrescenta que “Embora tecnicamente a teoria da supercondutividade em si não estabeleça um limite na T_C, o consenso foi que os supercondutores de elétron-fônon têm baixa T_C. Claramente, estamos aprendendo que ainda há possibilidades para a supercondutividade convencional”.

        O trabalho está publicado na Physical Review Letters.

Fonte1: http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/apr/24/secret-of-record-breaking-superconductor-explained

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.157004