Quão perto estamos de supercondutores que são realmente práticos?

Em 1911, o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes fez uma descoberta que mudou o paradigma: a alguns graus acima do zero absoluto, o mercúrio perdeu completamente a sua resistência eléctrica. Isso significava que, nas condições certas, as correntes elétricas poderiam viajar indefinidamente sem perder energia ao passar pela matéria.

Os cientistas logo perceberam que esta característica, apelidada de supercondutividade, não se limitava apenas ao mercúrio. Efeitos específicos da mecânica quântica permitem a supercondutividade, para que outros elementos possam exibir essas propriedades nas condições certas. Eventualmente, os físicos encontraram uma maneira de transformar materiais supercondutores em fios e ímãs, o que abriu caminhos inteiramente novos para testar e utilizar fenômenos quânticos estranhos. Por exemplo, os nossos melhores computadores quânticos e aceleradores de partículas dependem de materiais supercondutores para funcionar. Você nem precisa ser físico para ter estado perto de um, se já fez uma ressonância magnética.

Infelizmente, os supercondutores ainda requerem temperaturas incrivelmente baixas para funcionar, o que complica as coisas. Por exemplo, no caso dos computadores quânticos, a redução de ruído e a correção de erros continuam a ser um grande obstáculo, exigindo temperaturas próximas de zero Kelvin para os seus qubits.

Naturalmente, os cientistas querem aumentar o limiar de temperatura dos supercondutores – para desenvolver supercondutores à “temperatura ambiente”, por assim dizer. O júri ainda não decidiu se isso é viável. Mas os pesquisadores têm trabalhado arduamente para encontrar novas combinações e designs para levar os supercondutores a condições cada vez mais quentes. E eles fizeram algum progresso nesse sentido.

Para este Giz Asks, pedimos aos pesquisadores uma análise do status quo. Que tipo de progresso a comunidade fez nos últimos tempos? Quais são alguns candidatos promissores para supercondutores à temperatura ambiente (ou em algum lugar nesse regime)? Quais são alguns dos desafios restantes para os investigadores e como os estão a abordar? As respostas a seguir podem ter sido ligeiramente editadas para maior extensão e clareza.

Hanyu Liu

Físico, Laboratório Chave de Métodos de Simulação de Materiais e Software do Ministério da Educação; Universidade de Jilin, China.

Na última década, a pesquisa de supercondutores teve um grande progresso, principalmente impulsionado pelo crescente estudo de supercondutores de hidreto sob alta pressão. Mesmo assim, os supercondutores práticos à temperatura ambiente ainda estão longe da realidade. A maioria desses materiais de hidreto só funciona sob pressão enorme, muito superior à pressão atmosférica normal, o que torna improvável seu uso diário.

Existem também alguns candidatos promissores, mas menos conhecidos, incluindo compostos à base de boro e hidretos recentemente descobertos que funcionam a pressões relativamente mais baixas. É improvável que obtenhamos um supercondutor de pressão ambiente e temperatura ambiente para produtos eletrônicos de consumo nos próximos 10 a 15 anos. O que provavelmente veremos mais cedo é um uso mais amplo de supercondutores de alta temperatura resfriados com nitrogênio para redes elétricas e equipamentos especializados, e não para eletrodomésticos.

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Físicos, Universidade de Houston (UH). Deng e Chu contribuíram para um trabalho recente publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) que estabeleceu um novo recorde de supercondutividade à pressão ambiente.

A boa notícia é que estamos nos aproximando, mas “prático” significa mais do que simplesmente atingir uma alta temperatura de transição supercondutora (Tc). O primeiro supercondutor (YBCO) com Tc (93 K) acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido (77 K) foi descoberto por Chu e seus colegas em 1987. Durante muitos anos, algumas das temperaturas supercondutoras mais altas foram alcançadas apenas sob enormes pressões, o que torna esses estados extremamente difíceis de usar fora de laboratórios especializados. Uma mudança potencialmente importante é pensar na pressão não como uma condição que deve ser mantida para sempre, mas como uma ferramenta de processamento – usar a pressão para criar um estado desejável e, em seguida, encontrar uma forma de manter esse estado depois de a pressão ser removida.

Essa é a ideia por trás do protocolo de extinção de pressão recentemente desenvolvido em supercondutores, liderado por nossa equipe em UH. A abordagem já manteve a supercondutividade aumentada por pressão em FeSe à pressão ambiente, seguida por fases supercondutoras induzidas por pressão em outros materiais, como Bi0.5Sb1.5Te3. Mais recentemente, a têmpera por pressão elevou o Tc supercondutor à pressão ambiente de HgBa₂Ca₃Cu₃O₈+δ para 151 K, superando o recorde anterior de pressão ambiente de 133 K que permanecia por mais de três décadas.

Isso não significa que cabos de energia supercondutores práticos ou eletrônicos baseados em materiais temperados por pressão estejam chegando. Os próximos desafios são substanciais: tornar os estados retidos mais estáveis ​​termicamente e temporalmente, compreender o que realmente os estabiliza, aumentar o tamanho da amostra, demonstrar processamento reproduzível e, por fim, mostrar correntes críticas úteis em formas como fios, fitas ou filmes. Mas a extinção da pressão muda a questão de uma forma interessante. Em vez de perguntar apenas: “Até que ponto o Tc pode atingir sob pressão?” agora também podemos perguntar: “Podemos trazer de volta conosco as propriedades criadas pela pressão?” Se essa estratégia se revelar geral e escalável, poderá reduzir significativamente a lacuna entre descobertas espectaculares de alta pressão e supercondutores que podem realmente ser utilizados.

Zi Kui Liu

Cientista de materiais, Universidade Estadual da Pensilvânia.

A supercondutividade fez progressos notáveis, incluindo demonstrações de temperaturas de transição muito elevadas em materiais ricos em hidrogénio sob pressões extremamente elevadas. No entanto, eu seria cauteloso ao prever quando um supercondutor à temperatura ambiente ou próximo à temperatura ambiente se tornará uma tecnologia prática. Uma Tc elevada por si só não é suficiente: um material útil também deve ser estável à pressão ambiente ou próximo dela, transportar correntes elétricas e campos magnéticos substanciais, ser mecanicamente robusto, fabricável em escala e economicamente viável. No momento, não creio que conheçamos um material que satisfaça simultaneamente esses requisitos, por isso não estabeleceria um cronograma confiável para supercondutores de consumo práticos.

Uma orientação importante, na minha opinião, é compreender não apenas como criar um estado supercondutor, mas como a estrutura atómica e electrónica pode proteger esse estado contra flutuações térmicas. Em nosso trabalho recente, propusemos uma configuração supercondutora com simetria quebrada (SCC) e identificamos túneis unidimensionais retos (SODTs) na diferença de densidade de carga entre configurações supercondutoras e normais. Encontramos essas características em supercondutores convencionais e não convencionais, incluindo YBCO. No YBCO, propusemos que uma estrutura de “pontão” em camadas, com ligação relativamente fraca entre as camadas supercondutoras e o volume circundante, ajuda a proteger estas estruturas electrónicas relacionadas com a supercondutividade contra perturbações térmicas e, assim, contribui para o seu TC relativamente elevado.

Também registramos um pedido de patente provisório, “Método para identificar e prever supercondutividade com base em túneis de densidade de carga quebrada por simetria e estruturas de pontões”. Estamos agora trabalhando para estender esta estrutura para compreender a estabilidade termodinâmica dessas configurações em temperatura finita usando nossa teoria Zentropia e, em última análise, para usá-la para a previsão e projeto de novos materiais supercondutores.

Matt Julian e Rohit Prasankumar

Fundo de Ciência Empresarial, Empreendimentos Intelectuais. Junto com Deng e Chu, Julian e Prasankumar foram coautores do artigo PNAS que estabeleceu um novo recorde de supercondutividade em pressões ambientais. A Intellectual Ventures foi uma financiadora do projeto.

Um supercondutor à temperatura ambiente e à pressão ambiente é sem dúvida o maior desafio não resolvido na física da matéria condensada, com potencial para transformar a sociedade na escala da Internet ou da inteligência artificial. Estamos bastante optimistas de que, apesar das recentes alegações desacreditadas e da controvérsia em curso, estamos mais perto do que nunca de realizar materiais supercondutores práticos e comercializáveis ​​para tais aplicações. Nossa compreensão da supercondutividade é mais profunda do que nunca, e as ferramentas disponíveis para aplicá-la – desde técnicas avançadas de fabricação até simulações de primeiros princípios aceleradas por GPU – nunca foram tão poderosas. No entanto, é claro que a compreensão e a capacidade por si só não nos levarão até lá.

É tentador tratar a previsão como o destino: se pudermos identificar computacionalmente um material candidato, seja por cálculos intrincados de primeiros princípios carregados de física ou por métodos estatísticos de força bruta, o sucesso parece estar ao nosso alcance. Mas prever um material supercondutor não é suficiente. Devemos prever supercondutores que possam realmente ser sintetizados e, mais difícil ainda, sintetizar o que prevemos. Devemos também desenvolver métodos para melhorar previsivelmente a supercondutividade através da engenharia deliberada de características estruturais e eletrônicas que governam o comportamento supercondutor. O aproveitamento de materiais que exibem supercondutividade não convencional também será uma peça crítica para atingir a temperatura ambiente. Há muitas nuances, complexidade e trabalho de síntese desafiador em cada um desses objetivos. Enfrentá-los exigirá criatividade humana proveniente de muitas tradições científicas diferentes, trabalhando em conjunto genuíno.

Passar da descoberta de um supercondutor de alta temperatura para a descoberta de um supercondutor prático de alta temperatura acarreta uma complexidade adicional significativa. Um material prático precisará ser transformado em fios ou fitas e enrolado, ou ser depositado como filme ou revestimento, ou ser compatível com processos de fundição de semicondutores. Cada um deles tem diferentes propriedades críticas de materiais, e há desafios significativos na modelagem precisa deles para materiais verdadeiramente novos. Portanto, precisamos superar o desafio da triagem computacional da “praticidade” para evitar a necessidade de um grande número de experimentos complexos. Precisamos então de encontrar formas de evitar o tradicional ciclo de desenvolvimento de 20 anos entre a descoberta de materiais e a adopção comercial.

Nosso caminho a seguir é uma abordagem multidisciplinar fortemente integrada que reúne físicos de matéria condensada, químicos, cientistas de materiais, experimentalistas, teóricos e engenheiros computacionais em estreita colaboração. Devemos ultrapassar as fronteiras disciplinares, trocar conhecimentos e construir quadros partilhados para desvendar não só os desafios que já compreendemos, mas também aqueles que permanecem ilusórios. Sabemos mais do que nunca, mas ainda há muito a aprender. A oportunidade é vasta e esta incerteza é, de facto, a indicação mais clara de que as maiores descobertas neste campo ainda estão por vir.

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