Supercondutividade: um fenômeno quântico macroscópico

 

Excelente palestra do físico Eduardo Miranda sobre fenômenos quânticos em escala macroscópica, incluindo a supercondutividade.

  

A pressão é desligada e a supercondutividade de alta temperatura continua

 

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 T_c = 9K à pressão ambiente”, disse Chu.

“Quando aplicamos pressão, a T_c 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 T_c  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 (T_c), o que requer energia. Quanto maior for a T_c, menos energia será necessária. Portanto, aumentar a T_c até a temperatura ambiente tem sido a força motriz dos cientistas na pesquisa da supercondutividade desde sua descoberta.

Desafiando a crença de que a T_c não poderia exceder 30K, Paul Chu e colegas descobriram em 1987 a supercondutividade com uma T_c = 93K em uma nova família de compostos. A T_c tem sido continuamente elevada a 164K por Paul Chu e outros grupos de cientistas. Recentemente, uma T_c 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 T_c sem pressão. Não há razão para que a técnica não possa ser aplicada igualmente aos hidretos que mostraram sinais de supercondutividade com uma T_c 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.

Físicos brasileiros predizem existência de novo material supercondutor

 

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

  

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=fisicos-brasileiros-predizem-existencia-novo-material-supercondutor&id=010175210608

 

Supercondutividade interdimensional embaralha compreensão dos supercondutores

 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

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutividade-interdimensional&id=010115210422

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.

 

Pesquisadores identificam novo tipo de supercondutor

 por David Nutt, Universidade de Cornell

 

 

Representação de uma rede cristalina do rutenato de estrôncio (Sr₂RuO₄) respondendo a várias ondas sonoras enviadas através da espectroscopia de ultrassom ressonante à medida que o material esfria através de sua transição supercondutora em 1,4 K. A deformação destacada sugere que o material pode ser um novo tipo de supercondutor. Crédito: Universidade de Cornell

 

Até agora, a história dos materiais supercondutores tem sido um conto de dois tipos: onda-s e onda-d. Agora, pesquisadores da Universidade de Cornell descobriram um possível terceiro tipo: onda-g.

Elétrons em supercondutores se movem juntos no que são conhecidos como pares Cooper. Esse "emparelhamento" dota os supercondutores com sua propriedade mais famosa — ausência de resistência elétrica — porque, para gerar resistência, os pares Cooper devem ser quebrados, e isso requer energia.

Em supercondutores de onda-s — geralmente materiais convencionais como chumbo, estanho e mercúrio — os pares de Cooper são feitos de um elétron apontando numa direção e outro apontando na direção oposta, ambos movendo-se sem nenhum momento angular líquido. Nas últimas décadas, uma nova classe de materiais exóticos exibiu o que é chamado de supercondutividade de onda-d, pelo qual os pares de Cooper têm dois quanta de momento angular.

Os físicos teorizaram a existência de um terceiro tipo de supercondutor entre esses dois: um supercondutor de onda-p, com um quanta de momento angular e os elétrons emparelhados com spins paralelos em vez de opostos. Este supercondutor seria um grande avanço para a computação quântica porque pode ser usado para criar férmions de Majorana, uma partícula única que é sua própria antipartícula.

Por mais de 20 anos, um dos principais candidatos a um supercondutor de onda-p tem sido o rutenato de estrôncio (Sr₂RuO₄), embora pesquisas recentes tenham fragilizado essa ideia.

Usando espectroscopia de ultrassom ressonante de alta resolução, Ramshaw e sua equipe descobriram que o material é potencialmente um tipo totalmente novo de supercondutor: onda-g.

Como nos projetos anteriores, os pesquisadores usaram espectroscopia de ressonância ultrassônica para estudar as propriedades de simetria da supercondutividade em um cristal de rutenato. No entanto, ao contrário das tentativas anteriores, encontraram um problema significativo ao tentar realizar o experimento.

Resfriar o ultrassom ressonante a 1 K é difícil, e tivemos que construir um aparelho completamente novo para conseguir isso, disse Ghosh.

Com sua nova configuração, a equipe de Cornell mediu a resposta das constantes elásticas do cristal - essencialmente a velocidade do som no material - a uma variedade de ondas sonoras à medida que o material esfriava através de sua transição supercondutor a 1,4 K.

Esse é de longe os dados de espectroscopia de ultrassom ressonante de maior precisão já tomados a essas baixas temperaturas, disse Ramshaw.

Com base nos dados, eles determinaram que o rutenato de estrôncio é o que é chamado de supercondutor de dois componentes, o que significa que a forma como os elétrons se unem é tão complexa, que não pode ser descrita por um único número, ele precisa de uma direção também.

Estudos anteriores haviam usado espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) para reduzir as possibilidades de que tipo de material de onda poderia ser, eliminando efetivamente a onda-p como opção.

Ao determinar que o material era de dois componentes, a equipe de Ramshaw não só confirmou essas descobertas, mas também mostrou que o rutenato de estrôncio não era um supercondutor convencional de onda-s ou -d.

Mesmo que você não possa identificar todos os detalhes microscópicos com o ultrassom ressonante, você pode fazer declarações amplas sobre quais são descartadas, disse Ramshaw. Então, as únicas coisas com as quais os experimentos são consistentes são essas coisas muito, muito estranhas que ninguém nunca viu antes. Uma delas é a onda-g, que significa momento angular 4. Ninguém nunca pensou que haveria um supercondutor onda-g.

Agora, os pesquisadores podem usar a técnica para examinar outros materiais para descobrir se são potenciais candidatos a onda-p. No entanto, o trabalho sobre o rutenato de estrôncio não está concluído.

Esse material é extremamente bem estudado em muitos contextos diferentes, não apenas por sua supercondutividade, disse Ramshaw. Entendemos que tipo de metal é, por que é um metal, como ele se comporta quando você muda de temperatura, como ele se comporta quando você muda o campo magnético. Então você deve ser capaz de construir uma teoria de por que se torna um supercondutor melhor aqui do que em qualquer outro lugar.

Mais informações: 

 DOI: 10.1038/s41567-020-1032-4, 

www.nature.com/articles/s41567-020-1032-4

 

 

Fonte: https://phys.org/news/2020-09-superconductor.html