Natureza da supercondutividade em compostos ricos em hidrogénio
A espetroscopia de tunelamento de electrões a alta pressão revela uma lacuna supercondutora em H₃S e D₃S.
Os cientistas alcançaram um marco importante na tentativa de compreender a supercondutividade a alta temperatura em materiais ricos em hidrogénio. Usando uma espetroscopia de tunelamento de electrões sob alta pressão, a equipa de investigação internacional liderada pelo Instituto Max Planck de Química mediu o intervalo supercondutor de H₃S - o material que estabeleceu o recorde de supercondutividade de alta pressão em 2015 e serve como composto-mãe para hidretos supercondutores de alta temperatura subsequentes. As descobertas, publicadas esta semana na Nature, fornecem a primeira evidência microscópica direta de supercondutividade em materiais ricos em hidrogénio e um passo importante para a sua compreensão científica.
Os supercondutores são materiais capazes de transportar corrente eléctrica sem resistência, o que os torna inestimáveis para tecnologias como a transmissão e armazenamento de energia, a levitação magnética e a computação quântica. No entanto, este fenómeno tem sido normalmente encontrado muito abaixo da temperatura ambiente, limitando as aplicações práticas generalizadas. A descoberta da supercondutividade em compostos ricos em hidrogénio, como o sulfureto de hidrogénio (H₃S), que se torna supercondutor a 203 Kelvin (-70°Celsius), e o deca-hidreto de lantânio (LaH₁₀), que atinge a supercondutividade a 250 Kelvin (-23°Celsius), marcou um avanço revolucionário no sentido de alcançar a supercondutividade à temperatura ambiente. Devido à temperatura de transição muito acima do ponto de ebulição do azoto líquido, os investigadores referem-se aos supercondutores de alta temperatura.
A chave para compreender a supercondutividade reside no intervalo supercondutor - uma propriedade fundamental que revela como os electrões se emparelham para formar o estado supercondutor. É a identificação do estado supercondutor que se distingue de outros estados metálicos.
No entanto, a medição do intervalo supercondutor em materiais ricos em hidrogénio, como o H₃S, continua a ser extremamente difícil. Esses compostos devem ser sintetizados in situ sob pressões extraordinárias - mais de um milhão de vezes a pressão atmosférica - tornando inaplicáveis as técnicas convencionais para medir o gap, como a espetroscopia de tunelamento de varredura e a espetroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo.
A técnica de tunelamento fornece uma visão direta do estado supercondutor dos compostos ricos em hidrogénio
Para ultrapassar esta barreira, os investigadores do Instituto Max Planck de Mainz desenvolveram uma espetroscopia de tunelamento de electrões planares capaz de funcionar em condições tão extremas. Este feito permitiu-lhes sondar o intervalo supercondutor em H₃S pela primeira vez, oferecendo uma visão direta do estado supercondutor dos compostos ricos em hidrogénio.
Utilizando esta técnica, os investigadores descobriram que o H₃S apresenta um hiato supercondutor totalmente aberto com um valor de aproximadamente 60 milielectrão-volt (meV), enquanto o seu análogo de deutério, o D₃S, apresenta um hiato de cerca de 44 meV. O deutério é um isótopo do hidrogénio e tem mais um neutrão. O facto de o hiato no D₃S ser menor do que no H₃S confirma que a interação dos electrões com os fónons - vibrações quantizadas da rede atómica de um material - causa o mecanismo supercondutor do H₃S, apoiando as previsões teóricas de longa data.
Para os investigadores de Mainz, este avanço não é apenas uma conquista técnica - também estabelece as bases para desvendar completamente a origem da supercondutividade de alta temperatura em materiais ricos em hidrogénio. "Esperamos que, ao alargar esta técnica de tunelamento a outros supercondutores de hidretos, seja possível identificar os factores-chave que permitem a supercondutividade a temperaturas ainda mais elevadas. Isto deverá permitir, em última análise, o desenvolvimento de novos materiais que possam funcionar em condições mais práticas", afirma o Dr. Feng Du, primeiro autor do estudo agora publicado.
O Dr. Mikhail Eremets, um pioneiro no campo da supercondutividade de alta pressão que faleceu em novembro de 2024, descreveu o estudo como "o trabalho mais importante no campo da supercondutividade de hidreto desde a descoberta da supercondutividade em H₃S em 2015". Vasily Minkov, líder do projeto de Química e Física de Alta Pressão no Instituto Max Planck de Química, comentou: "A visão de Mikhail de supercondutores operando à temperatura ambiente e pressões moderadas fica um passo mais perto da realidade através deste trabalho."
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