Por mais de um século, a física da matéria condensada tem se debatido com um de seus maiores desafios não resolvidos: como construir supercondutores que operem à temperatura ambiente e transmitam eletricidade sem perdas. Agora, em um artigo publicado na Nature , uma equipe de físicos de Harvard relatou novas descobertas sobre por que um supercondutor promissor apresentou resultados misteriosamente inconsistentes.

Os pesquisadores utilizaram um método inovador para estudar materiais sob alta pressão, adicionando sensores quânticos a um dispositivo simples, pioneiro em um físico de Harvard ganhador do Prêmio Nobel no século passado, uma ferramenta que provavelmente se mostrará útil para avançar trabalhos futuros.

"Podemos fazer perguntas sob alta pressão que nunca poderíamos fazer antes", disse Norman Yao, Ph.D., professor de física e autor sênior do novo estudo. "E a pergunta que mais temos recebido de nossos colegas é: vocês também conseguem medir nossas rochas?"

A maioria dos condutores existentes não consegue transmitir eletricidade sem alguma resistência e, portanto, perde energia (nos EUA, cerca de 5% da eletricidade se perde na transmissão, mas em alguns países as perdas chegam a metade da produção de energia). Os supercondutores têm resistência zero — e, portanto, nenhuma perda de energia —, o que os torna uma inovação potencialmente revolucionária.

Em teoria, supercondutores melhores poderiam tornar economicamente viável, por exemplo, a instalação de parques eólicos na Sibéria para fornecer energia ao leste da Ásia ou painéis solares no deserto do Saara para abastecer a Europa.

Elas também possuem grande potencial em outras aplicações, como tecnologias de ímãs, motores, trens de levitação magnética, aceleradores de partículas de alta energia e sistemas de ressonância magnética (RM). Atualmente, as máquinas de RM utilizam hélio líquido para resfriar as bobinas supercondutoras a -269 graus Celsius.

Os supercondutores foram descobertos pela primeira vez em 1911, mas suas aplicações práticas permaneceram por muito tempo inatingíveis, pois os materiais exigem temperaturas extremamente baixas.

Um grande avanço ocorreu em 1986, quando J. Georg Bednorz e K. Alex Müller descobriram óxidos de cobre supercondutores, ou cupratos, que funcionavam em temperaturas muito mais altas do que os materiais conhecidos anteriormente (a dupla ganhou o Prêmio Nobel apenas 19 meses depois).

Essa revelação desencadeou uma conferência histórica conhecida como "O Woodstock da Física" e a busca por outros supercondutores de "alta temperatura" (que aqui significa não tão frios). Entre os primeiros materiais propostos estavam os niquelatos — óxidos de níquel em camadas que eram "primos" químicos dos cupratos.

Em 2023, foi descoberto o primeiro supercondutor de niquelato em massa. A descoberta gerou entusiasmo, pois o material apresentava uma temperatura crítica acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido (menos 196 graus Celsius, o que, embora mortalmente frio para os padrões humanos, é relativamente quente para um supercondutor), mas também cautela, visto que a supercondutividade só surge sob pressões extremamente altas.

Este material apresentou um desempenho surpreendentemente irregular, e alguns cientistas sugeriram que apenas uma pequena porcentagem do material era realmente capaz de supercondutividade.

Para melhor compreender esse mistério, uma equipe liderada por Yao e Chris Laumann, professor associado de física da Universidade de Boston, buscou estudar esses materiais em escala micrométrica, adicionando alguns novos truques a uma tecnologia antiga.

Na primeira metade do século XX, o físico de Harvard, Percy Bridgman, conduziu experimentos pioneiros com materiais sob alta pressão, utilizando um aparato semelhante a uma morsa que comprimia as amostras entre duas bigornas cônicas de aço ou carboneto de tungstênio (Bridgman ganhou o Prêmio Nobel em 1946).

Mais tarde, outros pesquisadores trocaram as bigornas por diamantes, um dos materiais naturais mais duros da Terra. Além da dureza, os diamantes oferecem outra vantagem: podem ser transformados em sensores.

Ao bombardear os diamantes com íons e aquecê-los a altas temperaturas, os pesquisadores criam defeitos conhecidos como " centros de vacância de nitrogênio " que podem detectar campos magnéticos e elétricos.

Em 2019, o grupo de Yao tornou-se o primeiro a adicionar esses centros de vacância de nitrogênio à bigorna de diamante , permitindo-lhes realizar novas medições de materiais sob pressões acima de 100 gigapascais — aproximadamente as mesmas encontradas no núcleo externo da Terra, a quase 3.000 quilômetros abaixo da superfície.

Nos experimentos, a célula de bigorna de diamante — um dispositivo aproximadamente do tamanho de uma rolha de vinho — e a amostra são montadas em uma haste e baixadas para dentro de um criostato, um refrigerador cuja temperatura pode chegar a 4 graus Kelvin, ou cerca de menos 452 graus Fahrenheit.

Um feixe de luz verde é direcionado para o interior dos diamantes, os centros de vacância de nitrogênio fluorescem em vermelho e a luz é refletida por uma série de espelhos até um detector de fótons. Uma complexa série de operações se resume a isto: mudanças na fluorescência vermelha revelam pequenas alterações no campo magnético local ao redor da amostra de niquelato, um fenômeno conhecido como efeito Meissner e um indicador fundamental de supercondutividade.

"Essa medição de vacâncias de nitrogênio permite observar a supercondutividade em escalas de comprimento significativamente menores e muito antes dos métodos convencionais baseados na resistência", disse Srinivas Mandyam, coautor principal do novo artigo e estudante de doutorado em física na Escola de Artes e Ciências Kenneth C. Griffin. "Ao tentar descobrir novos compostos, esse método pode detectá-los muito antes do que seria possível pelos métodos tradicionais."

Com essa técnica, os pesquisadores podem mapear amostras em milionésimos de metro e correlacionar o comportamento supercondutor local com a temperatura, a pressão, a estequiometria (a proporção de elementos no material) e outras forças, incluindo tensão normal (compressão) e tensão de cisalhamento.

Os pesquisadores ajustam a pressão como um "botão de sintonia". Próximo à pressão crítica , eles observaram as primeiras evidências de supercondutividade em regiões localizadas. À medida que aumentavam a pressão, essas regiões supercondutoras abrangiam porções maiores da rocha. Eles também descobriram que a supercondutividade era limitada por tensões de cisalhamento.

Até agora, os resultados inconsistentes em niquelatos eram atribuídos a uma série de possibilidades, como heterogeneidades na composição química e na estrutura. O novo estudo revela que uma única amostra deve ser vista, na verdade, como uma coleção de regiões em escala micrométrica que se comportam de maneira diferente.

Essas descobertas podem ajudar a desenvolver materiais mais eficientes — um pequeno passo rumo ao objetivo final de supercondutores que funcionem em temperaturas e pressões ambientes.

Laumann, um colaborador frequente do grupo de Yao, disse que as novas ferramentas permitiriam aos pesquisadores "explorar melhor essa região" e investigar mais profundamente as propriedades dos diversos tipos de materiais supercondutores descobertos até o momento.

"É como se uma árvore caísse na floresta e ninguém estivesse lá para ouvir, ela faz barulho?", disse Laumann. "Se não há ninguém para te contar, simplesmente não é algo que você possa ver ou discutir. O fato de agora podermos fazer essas medições locais abre um leque totalmente novo de questões."