Flutuações quânticas sustentam recorde em supercondutor

Estrutura cristalina da fase Fm-3m de LaH10, onde uma gaiola de hidrogênio altamente simétrica envolve os átomos de lantânio. No topo, é mostrado um esboço da complexa paisagem clássica de energia, onde muitos mínimos estão presentes. Por outro lado, na parte inferior, vemos um esboço da paisagem quântica de energia muito mais remodelada e completamente remodelada, onde apenas um mínimo sobrevive. Crédito: Center for Materials Physics

Cálculos realizados por uma equipe internacional de pesquisadores da Espanha, Itália, França, Alemanha e Japão mostram que a estrutura cristalina do composto LaH10 supercondutor recorde é estabilizada por flutuações quânticas atômicas. Esse resultado sugere que a supercondutividade próxima à temperatura ambiente pode ser possível em compostos ricos em hidrogênio a pressões muito mais baixas do que o esperado anteriormente com cálculos clássicos. Os resultados são publicados na Nature.

Atingir a supercondutividade à temperatura ambiente é um dos maiores sonhos da física. Sua descoberta traria uma revolução tecnológica, fornecendo transporte elétrico sem perda, motores ou geradores elétricos ultra-eficientes, bem como a possibilidade de criar enormes campos magnéticos sem refrigeração. As recentes descobertas de supercondutividade, primeiro a 200 kelvin em sulfeto de hidrogênio e depois a 250 kelvin em LaH10, despertaram a atenção para esses materiais, trazendo esperanças de alcançar a temperatura ambiente em breve. Agora está claro que compostos ricos em hidrogênio podem ser supercondutores de alta temperatura. Pelo menos em altas pressões: as duas descobertas foram feitas acima de 100 gigapascais, um milhão de vezes a pressão atmosférica.

Os 250 kelvin (-23ºC) obtidos no LaH10, a temperatura usual em que os freezers domésticos trabalham, é a temperatura mais quente para a qual a supercondutividade já foi observada. A possibilidade de supercondutividade a alta temperatura em LaH10, um super-hidreto formado por lantânio e hidrogênio, foi antecipada pelas previsões da estrutura cristalina em 2017. Esses cálculos sugeriram que, acima de 230 gigapascal, um composto LaH10 altamente simétrico (grupo espacial Fm-3m), com um uma gaiola de hidrogênio envolvendo os átomos de lantânio (ver figura) seria formada. Foi calculado que essa estrutura distorceria a pressões mais baixas, quebrando o padrão altamente simétrico. No entanto, experimentos realizados em 2019 foram capazes de sintetizar o composto altamente simétrico a pressões muito mais baixas, de 130 e 220 gigapascais, e medir a supercondutividade em torno de 250 kelvin nessa faixa de pressão. A estrutura cristalina do supercondutor de discos e, portanto, sua supercondutividade, permaneceu, portanto, não totalmente clara.

Agora, graças aos novos resultados publicados na Nature, sabemos que as flutuações quânticas atômicas “colam” a estrutura simétrica de LaH10 em toda a faixa de pressão em que a supercondutividade foi observada. Mais detalhadamente, os cálculos mostram que, se os átomos são tratados como partículas clássicas, isto é, como simples pontos no espaço, muitas distorções da estrutura tendem a diminuir a energia do sistema. Isso significa que o cenário clássico de energia é muito complexo, com muitos mínimos (veja a figura), como um colchão altamente deformado, porque muitas pessoas estão de pé nele. No entanto, quando os átomos são tratados como objetos quânticos, descritos com uma função de onda deslocalizada, o cenário energético é completamente remodelado: apenas um mínimo é evidente (veja a figura), que corresponde à estrutura Fm-3m altamente simétrica. De alguma forma, os efeitos quânticos se livram de todos os que estão no colchão, menos de uma pessoa, que deforma o colchão apenas em um único ponto.

Além disso, as estimativas da temperatura crítica usando o cenário de energia quântica concordam satisfatoriamente com as evidências experimentais. Isso suporta ainda mais a estrutura de alta simetria do Fm-3m como responsável pelo registro supercondutor.


Publicado em 07/02/2020 08h42

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