O Desafio dos Supercondutores Frios

Apesar de sua promessa, a maioria dos materiais supercondutores ainda não pode ser utilizada na tecnologia do dia a dia. Sua extraordinária capacidade de conduzir eletricidade aparece apenas em temperaturas extremamente baixas, muito abaixo do que é prático para sistemas de energia ou eletrônicos avançados. Apoiada pelo programa “Teoria da Matéria Condensada” dentro das Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA (DOE), a equipe da Penn State criou uma nova abordagem computacional para prever quais materiais podem exibir supercondutividade, potencialmente abrindo caminho para encontrar aqueles que funcionem em temperaturas muito mais altas, até mesmo próximas da temperatura ambiente.

Uma Nova Perspectiva em um Mistério Antigo

Prever a supercondutividade – especialmente em materiais que poderiam operar em temperaturas mais altas – tem sido um desafio não resolvido. Teorias existentes há muito tempo são consideradas precisas apenas para supercondutores de baixa temperatura, explicou Zi-Kui Liu, professor de ciência e engenharia de materiais na Penn State.

“O objetivo sempre foi aumentar a temperatura em que a supercondutividade persiste”, disse Liu, o autor principal de um novo estudo publicado na Superconductor Science and Technology. “Mas primeiro, precisamos entender exatamente como a supercondutividade acontece, e é aí que nosso trabalho entra.”

Como a Teoria Clássica Explica os Supercondutores

Durante décadas, os cientistas confiaram na teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) para descrever como os supercondutores convencionais funcionam em temperaturas extremamente baixas. De acordo com essa teoria, os elétrons se movem sem resistência devido às interações com vibrações na rede atômica, chamadas de fônons. Essas interações permitem que os elétrons se emparelhem em pares conhecidos como pares de Cooper, que se movem em sincronia pelo material, evitando colisões atômicas e evitando a perda de energia na forma de calor.

“Imagine uma autoestrada só para elétrons”, explicou Liu. “Se houver muitas rotas, os elétrons colidem com coisas e perdem energia. Mas se você criar um túnel reto para eles, como a Autobahn na Alemanha, eles podem viajar rápido e livremente sem resistência.”

A Busca por Energia Sem Resistência

Essa capacidade de transmitir energia sem resistência é o que torna os supercondutores tão promissores, disse Liu. Se os cientistas conseguirem desenvolver materiais que permaneçam supercondutores a temperaturas mais altas, a eletricidade poderá viajar mais longe, mais rápido e de forma mais eficiente, transformando os sistemas de energia globais. Para entender esse fenômeno, o projeto apoiado pelo DOE utiliza ferramentas computacionais conhecidas como teoria funcional de densidade (DFT). A DFT ajuda a modelar como os elétrons se comportam em condutores comuns em comparação com supercondutores. A equipe hipotetiza que, embora a DFT não modele diretamente os pares de Cooper, a densidade eletrônica que ela prevê deve se assemelhar à de elétrons emparelhados, permitindo que os pesquisadores estudem o comportamento supercondutor potencial.

Até recentemente, a teoria BCS e a DFT – uma descrevendo o emparelhamento de elétrons, a outra enraizada na mecânica quântica – eram tratadas separadamente. A equipe de Liu encontrou uma maneira de conectar essas estruturas, criando um novo caminho para prever a supercondutividade.

Apresentando a Teoria de Zentropia

A descoberta se concentra em um conceito chamado teoria de zentropy. Essa abordagem combina princípios da mecânica estatística, que estuda o comportamento coletivo de muitas partículas, com a física quântica e modelagem computacional moderna. A teoria de zentropy vincula a estrutura eletrônica de um material a como suas propriedades mudam com a temperatura, revelando quando ele transita de um estado supercondutor para um estado não supercondutor. Para aplicar a teoria, os cientistas devem entender como um material se comporta a zero absoluto (zero Kelvin), a temperatura mais baixa possível, onde todo movimento atômico cessa. A equipe de Liu demonstrou que mesmo a DFT – embora não originalmente destinada ao estudo de supercondutores – pode fornecer insights fundamentais sobre quando e como a supercondutividade ocorre.

Previsão da Próxima Geração de Supercondutores

De acordo com Liu, o novo método permite que os cientistas prevejam se um material poderia se tornar supercondutor. A teoria de zentropy pode então estimar a temperatura crítica em que o material perde essa propriedade. A teoria clássica BCS explica com sucesso supercondutores que operam apenas em temperaturas muito baixas, mas falha em variedades de alta temperatura, onde os pares de Cooper se rompem mais facilmente. Através da modelagem DFT, o grupo de Liu descobriu que, em supercondutores de alta temperatura, a “autoestrada” eletrônica permanece estável devido a uma estrutura atômica única – semelhante a uma ponte flutuante que se flexiona com ondas, permitindo que os elétrons se movam suavemente mesmo quando as vibrações térmicas aumentam.

Usando essa abordagem combinada, a equipe previu com sucesso o comportamento supercondutor tanto em materiais convencionais quanto em de alta temperatura, incluindo um que a teoria tradicional não conseguiu explicar. Eles também preveram a potencial supercondutividade em cobre, prata e ouro – metais normalmente não considerados supercondutores – provavelmente porque exigiriam temperaturas extremamente baixas para que o efeito aparecesse. Essas descobertas podem acelerar a descoberta de novos materiais que operem como supercondutores em temperaturas mais altas e mais práticas.

Próximos Passos na Busca por Supercondutores Práticos

Os pesquisadores da Penn State agora planejam expandir seu trabalho de duas maneiras. Primeiro, eles usarão a teoria de zentropy para prever como a pressão afeta a temperatura em que os supercondutores perdem sua resistência. Em segundo lugar, eles buscarão em um massive banco de dados de cinco milhões de materiais para identificar novos candidatos que poderiam exibir supercondutividade. O objetivo é encontrar os materiais mais promissores e colaborar com pesquisadores experimentais para testá-los.

“Não estamos apenas explicando o que já é conhecido”, disse Liu. “Estamos construindo uma estrutura para descobrir algo totalmente novo. Se tivermos sucesso, a abordagem pode levar à descoberta de supercondutores de alta temperatura que funcionam em condições práticas, potencialmente até mesmo à temperatura ambiente, se eles existirem. Esse tipo de descobrimento poderia ter um impacto enorme na tecnologia moderna e nos sistemas de energia.”

Shun-Li Shang, professor de pesquisa em ciência e engenharia de materiais na Penn State, é co-investigador deste estudo.

A pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA.