O desafio é que a supercondutividade normalmente ocorre apenas em temperaturas muito baixas, muito abaixo das condições cotidianas. Essa limitação impediu o uso prático generalizado. Essa situação começou a mudar com a descoberta da supercondutividade em materiais ricos em hidrogênio. O sulfeto de hidrogênio (H₃S) torna-se supercondutor a 203 Kelvin (-70°C), enquanto o decahidreto de lantânio (LaH10) atinge a supercondutividade a 250 Kelvin (-23°C). Essas temperaturas são muito mais altas do que as dos supercondutores anteriores e estão acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido, razão pela qual os cientistas os classificam como supercondutores de alta temperatura. A descoberta deles marcou um grande passo em direção ao objetivo de supercondutividade à temperatura ambiente.

A Lacuna Supercondutora e Por Que É Crucial

No cerne da supercondutividade está uma característica conhecida como lacuna supercondutora. Essa propriedade revela como os elétrons se juntam para formar o estado supercondutor e serve como uma assinatura clara que distingue um supercondutor de um metal comum.

Compreender a lacuna supercondutora é essencial porque reflete diretamente como os elétrons interagem dentro do material. Sem medir essa lacuna, os cientistas não conseguem explicar totalmente por que um material se torna supercondutor ou que mecanismo faz a resistência desaparecer.

Por Que Medir Supercondutores de Hidrogênio É Tão Difícil

Apesar de sua importância, os supercondutores ricos em hidrogênio, como o H₃S, têm sido extremamente desafiadores para estudar. Esses materiais só podem ser criados sob pressões enormes que ultrapassam a pressão atmosférica em mais de um milhão de vezes. Devido a essas condições extremas, técnicas amplamente utilizadas, como espectroscopia de tunelamento por varredura e espectroscopia de fotoemissão angle-resolved, não podem ser aplicadas.

Como resultado, a lacuna supercondutora nesses materiais permaneceu não medida, deixando uma lacuna significativa na compreensão dos cientistas sobre como a supercondutividade de alta temperatura funciona em compostos ricos em hidrogênio.

Uma Nova Técnica de Tunelamento Quebra a Barreira

Para resolver esse problema, pesquisadores do Instituto Max Planck em Mainz desenvolveram um método de espectroscopia de tunelamento eletrônico planar que pode operar sob essas pressões extremas. Essa nova abordagem tornou possível sondar diretamente a lacuna supercondutora no H₃S pela primeira vez.

Com essa técnica, a equipe obteve uma visão clara do estado supercondutor em materiais ricos em hidrogênio, superando uma barreira que limitou o progresso no campo durante anos.

O Que as Medidas Revelaram

Os pesquisadores descobriram que o H₃S possui uma lacuna supercondutora totalmente aberta de aproximadamente 60 milielectronvolt (meV). Eles também estudaram seu equivalente de deutério, D₃S, que mostrou uma lacuna menor de cerca de 44 meV. O deutério é um isótopo de hidrogênio e possui um neutron a mais.

Essa diferença é significativa porque confirma que a supercondutividade no H₃S é impulsionada por interações entre elétrons e fonons. Fonons são vibrações quantizadas da rede atômica de um material. Os resultados apoiam previsões teóricas de longa data sobre o mecanismo por trás da supercondutividade em compostos ricos em hidrogênio.

Por Que Essa Descoberta É Importante

Para os pesquisadores em Mainz, a conquista vai além do sucesso técnico. Ela fornece uma base para descobrir as origens fundamentais da supercondutividade de alta temperatura em materiais à base de hidrogênio. “Esperamos que, ao estender essa técnica de tunelamento a outros supercondutores de hidreto, possamos identificar os fatores-chave que possibilitam a supercondutividade em temperaturas ainda mais altas. Isso deve, em última análise, permitir o desenvolvimento de novos materiais que possam operar em condições mais práticas”, afirma o Dr. Feng Du, primeiro autor do estudo agora publicado.

Dr. Mikhail Eremets, uma figura proeminente na pesquisa de supercondutividade em alta pressão que faleceu em novembro de 2024, descreveu o estudo como “o trabalho mais importante no campo da supercondutividade em hidreto desde a descoberta da supercondutividade no H₃S em 2015.” Vasily Minkov, líder de projeto de Química e Física em Alta Pressão no Instituto Max Planck de Química, acrescentou: “A visão de Mikhail de supercondutores operando à temperatura ambiente e em pressões moderadas se aproxima da realidade através deste trabalho.”

Uma Breve História da Supercondutividade

A supercondutividade refere-se à capacidade de certos materiais de conduzir corrente elétrica sem resistência. Foi descoberta pela primeira vez no mercúrio puro em 1911 por Heike Kamerlingh Onnes. Durante muitas décadas, os cientistas acreditaram que esse fenômeno poderia ocorrer apenas em temperaturas próximas ao zero absoluto (-273 °C).

Essa suposição mudou no final da década de 1980, quando Georg Bednorz e Karl Alexander Müller descobriram supercondutores de óxido de cobre, também conhecidos como cupratos, que exibiam supercondutividade de alta temperatura sob pressão atmosférica normal. Essa descoberta desencadeou esforços de pesquisa em todo o mundo.

Com o tempo, os cientistas alcançaram temperaturas críticas (T_c) de cerca de 133 K à pressão ambiente e 164 K sob pressão elevada. O progresso então estagnou até que compostos ricos em hidrogênio entraram em cena.

Materiais Ricos em Hidrogênio Aumentam os Limites

A descoberta da supercondutividade no H₃S em pressões de megabar, com um T_c = 203 K pelo grupo de pesquisa liderado pelo Dr. Mikhail Eremets, representou um ponto de virada. Logo depois, temperaturas críticas ainda mais altas foram observadas em hidretos metálicos ricos em hidrogênio, como YH9 (T_c ≈ 244 K) e LaH10 (T_c ≈ 250 K).

Modelos teóricos atuais agora sugerem que a supercondutividade acima da temperatura ambiente pode ser possível em vários sistemas dominados por hidrogênio quando submetidos a pressão extrema.

Pares de Cooper e o Significado da Lacuna Supercondutora

Em metais normais, os elétrons próximos ao nível de Fermi podem se mover livremente. O nível de Fermi representa o mais alto nível de energia que os elétrons podem ocupar em um sólido a zero absoluto. Quando um material se torna supercondutor, os elétrons formam pares de estados conhecidos como pares de Cooper e entram em um estado quântico coletivo.

Nesse estado, elétrons emparelhados se movem juntos sem se dispersar por fonons ou impurezas na rede cristalina, eliminando a resistência elétrica. Esse emparelhamento cria uma lacuna de energia próxima ao nível de Fermi chamada lacuna supercondutora. A lacuna representa a energia mínima necessária para quebrar um par de Cooper e desempenha um papel protetor estabilizando o estado supercondutor contra distúrbios.

A lacuna supercondutora é uma característica definidora da supercondutividade. Seu tamanho e simetria fornecem uma visão crítica sobre como os elétrons interagem e se emparelham, tornando-a uma chave na identificação do mecanismo supercondutor subjacente.