O objetivo das novas pesquisas lideradas por Ranga Dias, professor assistente de engenharia mecânica e de física e astronomia, é desenvolver materiais supercondutores em temperatura ambiente. Atualmente, o frio extremo é necessário para atingir a supercondutividade, como demonstrado nesta foto do laboratório de Dias, na qual um ímã flutua sobre um supercondutor resfriado com nitrogênio líquido. Crédito: Universidade de Rochester / J. Adam Fenster.

Comprimindo sólidos moleculares simples com hidrogênio a pressões extremamente altas, os engenheiros e físicos da Universidade de Rochester criaram, pela primeira vez, um material supercondutor à temperatura ambiente.

Apresentado como reportagem de capa da revista Nature, o trabalho foi conduzido pelo laboratório de Ranga Dias, professor assistente de física e engenharia mecânica.

Dias diz que desenvolver materiais supercondutores – sem resistência elétrica e sem expulsão do campo magnético à temperatura ambiente – é o “Santo Graal” da física da matéria condensada. Procurados há mais de um século, esses materiais “podem mudar definitivamente o mundo como o conhecemos”, diz Dias.

Ao estabelecer o novo recorde, Dias e sua equipe de pesquisa combinaram hidrogênio com carbono e enxofre para sintetizar fotoquimicamente hidreto de enxofre carbonáceo simples de origem orgânica em uma bigorna de diamante, um dispositivo de pesquisa usado para examinar quantidades minúsculas de materiais sob pressão extraordinariamente alta.

O hidreto de enxofre carbonáceo exibiu supercondutividade a cerca de 15 graus Celsius e a uma pressão de cerca de 39 milhões de psi. Esta é a primeira vez que um material supercondutor foi observado à temperatura ambiente.

“Por causa dos limites de baixa temperatura, materiais com propriedades tão extraordinárias não transformaram o mundo da maneira que muitos imaginavam. Porém, nossa descoberta quebrará essas barreiras e abrirá portas para muitas aplicações potenciais”, diz Dias , que também é afiliado aos programas de Ciência de Materiais e Física de Densidade de Alta Energia da Universidade.

Foto: Universidade de Rochester

Aplicações:

  • Redes elétricas que transmitem eletricidade sem a perda de até 200 milhões de megawatts hora (MWh) da energia que agora ocorre devido à resistência nos fios;
  • Uma nova forma de impulsionar trens levitados e outras formas de transporte;
  • Imagens médicas e técnicas de varredura, como ressonância magnética e magnetocardiografia;
  • Eletrônica mais rápida e eficiente para lógica digital e tecnologia de dispositivos de memória.

“Vivemos em uma sociedade de semicondutores e, com esse tipo de tecnologia, você pode levar a sociedade a uma sociedade supercondutora, onde nunca mais precisará de coisas como baterias”, disse Ashkan Salamat, da Universidade de Nevada Las Vegas, co-autor da descoberta.

A quantidade de material supercondutor criado pelas células da bigorna de diamante é medida em picolitros – aproximadamente o tamanho de uma única partícula de jato de tinta.

O próximo desafio, diz Dias, é encontrar maneiras de criar os materiais supercondutores à temperatura ambiente em pressões mais baixas, de forma que sejam econômicos para produzir em maior volume. Em comparação com os milhões de libras de pressão criados nas células da bigorna de diamante, a pressão atmosférica da Terra ao nível do mar é de cerca de 15 PSI.

Por que a temperatura ambiente é importante

Descoberta pela primeira vez em 1911, a supercondutividade dá aos materiais duas propriedades essenciais. A resistência elétrica desaparece. E qualquer aparência de campo magnético é expelida, devido a um fenômeno chamado efeito Meissner. As linhas do campo magnético têm que passar ao redor do material supercondutor, tornando possível levitar tais materiais, algo que poderia ser usado para trens de alta velocidade sem atrito, conhecidos como trens maglev.

Eletroímãs supercondutores poderosos já são componentes críticos de trens maglav, máquinas de imagem por ressonância magnética (MRI) e ressonância magnética nuclear (NMR), aceleradores de partículas e outras tecnologias avançadas, incluindo os primeiros supercomputadores quânticos.

Mas os materiais supercondutores usados ​​nos dispositivos geralmente funcionam apenas em temperaturas extremamente baixas – mais baixas do que quaisquer temperaturas naturais na Terra. Essa restrição torna sua manutenção cara e muito cara para estender a outros aplicativos em potencial. “O custo para manter esses materiais em temperaturas criogênicas é tão alto que você não pode realmente obter todos os benefícios deles”, diz Dias.

Anteriormente, a temperatura mais alta para um material supercondutor foi alcançada no ano passado no laboratório de Mikhail Eremets no Instituto Max Planck de Química em Mainz, Alemanha, e no grupo Russell Hemley na Universidade de Illinois em Chicago. Essa equipe relatou supercondutividade de -23 a -13 graus Celsius usando superidrido de lantânio.

Os pesquisadores também exploraram os óxidos de cobre e produtos químicos à base de ferro como candidatos potenciais para supercondutores de alta temperatura nos últimos anos. No entanto, o hidrogênio – o elemento mais abundante no universo – também oferece um bloco de construção promissor.

“Para ter um supercondutor de alta temperatura, você quer ligações mais fortes e elementos leves. Esses são os dois critérios básicos”, diz Dias. “O hidrogênio é o material mais leve e a ligação de hidrogênio é uma das mais fortes”.

“Acredita-se que o hidrogênio metálico sólido tenha alta temperatura de Debye e forte acoplamento elétron-fônon, necessário para a supercondutividade à temperatura ambiente”, disse Dias.

No entanto, pressões extraordinariamente altas são necessárias apenas para colocar o hidrogênio puro em um estado metálico, o que foi alcançado pela primeira vez em um laboratório em 2017 pelo professor da Universidade de Harvard Isaac Silvera.

Uma ‘mudança de paradigma’

E assim, o laboratório de Dias em Rochester buscou uma “mudança de paradigma” em sua abordagem, usando como alternativa, materiais ricos em hidrogênio que imitam a elusiva fase supercondutora do hidrogênio puro e podem ser metalizados a pressões muito mais baixas.

Primeiro, o laboratório combinou ítrio e hidrogênio. O super-hidreto de ítrio resultante exibiu supercondutividade no que era então uma temperatura recorde de cerca de -11 graus Celsius e uma pressão de cerca de 26 milhões de libras por polegada quadrada.

Em seguida, o laboratório explorou materiais orgânicos covalentes ricos em hidrogênio.

Ranga Dias nasceu no Sri Lanka e é professor da Universidade de Rochester.

Este trabalho resultou no hidreto de enxofre carbonáceo. “Essa presença de carbono é de extrema importância aqui”, relatam os pesquisadores. Mais “sintonia composicional” desta combinação de elementos pode ser a chave para alcançar supercondutividade em temperaturas ainda mais altas, acrescentam.

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