Revelada a chave para supercondutividade em altas temperaturas
Cientistas revelaram um processo intrigante responsável pela supercondutividade em altas temperaturas, oferecendo promessa na busca por um objetivo significativo na física.
A nova descoberta, chamada de supercondutividade oscilante, identifica um mecanismo que permite que materiais alcancem a supercondutividade em temperaturas significativamente mais elevadas em comparação com a norma. Esse avanço poderia pavimentar o caminho para identificar materiais que exibem supercondutividade à temperatura ambiente, potencialmente possibilitando uma transmissão de energia altamente eficiente. As descobertas foram publicadas em 11 de julho na revista Physical Review Letters.
Luiz Santos, professor assistente de física na Universidade Emory, observou que alcançar a supercondutividade prática em temperatura ambiente é um objetivo procurado na física, com potencial para revolucionar a sociedade.
A supercondutividade surge das interações entre elétrons à medida que atravessam um material. Em temperaturas suficientemente baixas, essas interações fazem com que os núcleos atômicos se aproximem, induzindo um ligeiro deslocamento de carga que atrai outro elétron.
Essa atração leva a um resultado notável: em vez de se repelirem devido às forças eletrostáticas, os elétrons se associam no que é chamado de “par de Cooper”.
Os pares de Cooper têm um comportamento diferente na mecânica quântica em comparação com elétrons individuais. Em vez de formarem níveis discretos de energia, eles agem como partículas de luz, com um número infinito capaz de ocupar o mesmo espaço simultaneamente. Se um número suficiente desses pares de Cooper se formar dentro de um material, eles se fundem em um superfluido, capaz de fluir sem perda de energia devido à resistência elétrica.
Os supercondutores iniciais, descobertos pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes em 1911, entravam nesse estado de zero resistência em temperaturas extremamente frias, próximas do zero absoluto. No entanto, em 1986, cientistas identificaram um tipo diferente de material, conhecido como cuprato, que exibia supercondutividade a uma temperatura mais quente, embora ainda extremamente fria.
Antecipou-se que essa descoberta poderia eventualmente levar à identificação de supercondutores em temperatura ambiente, potencialmente revolucionando a transmissão de eletricidade. No entanto, essas perspectivas enfrentaram contratempos, uma vez que as alegações recentes de alcançar supercondutividade em temperatura ambiente resultaram em controvérsia e desilusão.
A dificuldade em encontrar supercondutores em temperatura ambiente e pressão ambiente pode ser atribuída em parte à compreensão limitada dos físicos das condições teóricas que facilitam a criação de pares de Cooper em temperaturas relativamente elevadas (cerca de três vezes mais frias que a temperatura de um freezer convencional).
Para abordar essa questão, os pesquisadores do novo estudo se concentraram em uma forma específica de supercondutividade em altas temperaturas que surge quando pares de Cooper adotam configurações oscilantes chamadas de ondas de densidade de carga. A interação entre essas ondas, uma forma de movimento sincronizado entre elétrons emparelhados ao longo de um material, exibe uma ligação complexa com a supercondutividade: em certas condições, as ondas enfraquecem o efeito, enquanto em outras circunstâncias, contribuem para unir os elétrons.
Através de modelagem computacional dessas ondas, os físicos identificaram um possível gatilho para sua emergência – algo chamado de singularidade de van Hove. Normalmente, na física, a energia de uma partícula em movimento está intuitivamente ligada à sua velocidade.
No entanto, certas estruturas de materiais desafiam essa norma, permitindo que elétrons com velocidades diferentes possuam os mesmos níveis de energia. Quando todos os elétrons compartilham a mesma energia, eles podem interagir e se unir como pares de Cooper dançantes com mais facilidade.
Santos explicou que “descobrimos que estruturas conhecidas como singularidades de van Hove podem dar origem a estados oscilantes de supercondutividade. Nossa pesquisa estabelece um novo quadro teórico para entender esse comportamento, um fenômeno que ainda não está completamente elucidado.”
Os cientistas enfatizaram que seu trabalho permanece teórico neste estágio, exigindo exploração experimental adicional para desvendar o mecanismo subjacente. No entanto, eles estão otimistas de que, ao estabelecerem uma conexão entre singularidades de van Hove e ondas oscilantes, eles lançaram as bases para que outros físicos construam sobre isso.
Santos observou: “Duvido que Kamerlingh Onnes estava pensando em levitação ou aceleradores de partículas quando descobriu a supercondutividade. No entanto, todo conhecimento que adquirimos sobre o mundo tem aplicações potenciais.” [Space]
