Resumo:
A supercondutividade à temperatura ambiente sempre foi um dos objetivos de pesquisa mais importantes na física da matéria condensada. Se a supercondutividade puder ser alcançada em temperaturas ambientes normais, poderá provocar grandes mudanças em áreas como transmissão de energia, transporte por levitação magnética, armazenamento de energia e computação quântica. Uma equipe de pesquisa da Universidade de Utrecht, na Holanda, da Universidade de Leiden, na Holanda, e da Universidade de Munique, na Alemanha, fez recentemente um progresso importante:
Eles descobriram que, em alguns materiais supercondutores de alta temperatura, o fenômeno de emparelhamento de elétrons necessário para formar a supercondutividade pode ser mantido até a temperatura ambiente. Isto significa que o fator chave que impede os materiais de atingirem a supercondutividade à temperatura ambiente pode não ser a incapacidade dos elétrons de formar pares, mas a incapacidade desses pares de elétrons de se moverem de maneira coordenada.
A supercondutividade é um estado físico especial. Quando um material se torna supercondutor, a corrente pode fluir através dele sem resistência, de modo que a energia não é perdida devido à resistência como os condutores comuns. Em 1911, os cientistas descobriram pela primeira vez o fenômeno da supercondutividade. No entanto, os materiais supercondutores tradicionais geralmente precisam ser resfriados a temperaturas extremamente baixas para funcionarem. Muitos materiais requerem até o uso de hélio líquido para baixar a temperatura para cerca de 260 graus Celsius negativos. Este requisito de resfriamento caro e complexo limita severamente a aplicação em larga escala da tecnologia supercondutora.
Em meados da década de 1980, os cientistas descobriram uma série de materiais que podiam ser supercondutores a temperaturas significativamente mais altas, alguns dos quais tinham uma temperatura crítica de supercondução de cerca de 173 graus Celsius negativos. Embora esta temperatura ainda seja muito inferior à temperatura ambiente, ela ultrapassa o limite de temperatura dos materiais supercondutores tradicionais e também levanta novas questões teóricas: As teorias que explicam a supercondutividade tradicional de baixa temperatura não podem explicar completamente por que estes materiais supercondutores de alta temperatura podem funcionar.
Esta pesquisa concentra-se em duas condições indispensáveis na formação da supercondutividade.
A primeira condição é o emparelhamento de elétrons. Normalmente, os elétrons interagem entre si e, em certos materiais e ambientes, dois elétrons podem formar um estado associado denominado par de Cooper. Este emparelhamento é uma base importante para a formação da supercondutividade.
A segunda condição é a coerência de fase. Mesmo que os elétrons tenham formado um par, isso não significa que o material entrará necessariamente em um estado supercondutor. Os pares de elétrons também devem formar um estado quântico coordenado, como parceiros em uma equipe de dança. Não apenas cada membro da dupla precisa trabalhar junto, mas todos os membros também devem manter o mesmo ritmo. Somente quando um grande número de pares de elétrons podem se mover juntos de maneira coordenada é que um material pode exibir verdadeiras propriedades supercondutoras.
Em materiais supercondutores tradicionais de baixa temperatura, o emparelhamento de elétrons e a coerência de fase geralmente ocorrem juntos quando a temperatura é reduzida perto do ponto crítico. Mas os pesquisadores descobriram que os dois processos em materiais supercondutores de alta temperatura podem ser separados um do outro. Os elétrons são capazes de formar pares com bastante antecedência, bem acima da temperatura crítica da supercondução, e permanecer neste estado mesmo à temperatura ambiente.
A equipe de pesquisa acredita que isso mostra que a interação que mantém o emparelhamento de elétrons é forte o suficiente para que, mesmo que a temperatura suba até a temperatura ambiente, o par de elétrons não se desintegre imediatamente. O que realmente limita a formação da supercondutividade pode ser a segunda condição, que é se esses pares de elétrons conseguem estabelecer coerência de fase.
Ingmar Swart, um dos líderes da pesquisa e cientista da Universidade de Utrecht, disse que esta descoberta é de grande importância porque a equipe de pesquisa provou que uma das duas condições principais necessárias para formar a supercondutividade à temperatura ambiente pode ser alcançada à temperatura ambiente. Se o emparelhamento de elétrons simplesmente não puder ser mantido à temperatura ambiente, então os esforços para encontrar materiais supercondutores à temperatura ambiente serão fundamentalmente limitados desde o início. Agora que este obstáculo foi removido, os pesquisadores podem estudar mais intensamente como exatamente a coerência de fase se forma e o que a impede de emergir em temperaturas mais altas.
O avanço desta pesquisa está intimamente relacionado aos novos equipamentos de medição desenvolvidos pelos próprios pesquisadores. Os métodos tradicionais de medição muitas vezes têm dificuldade em distinguir claramente se a corrente é transportada por um único elétron ou por elétrons que formaram um par. O novo dispositivo projetado pela equipe de pesquisa pode distinguir entre essas duas correntes, permitindo estudar diretamente a faixa de temperatura em que ocorre o emparelhamento de elétrons dentro do material e como isso se relaciona com o estado supercondutor.
O material usado na pesquisa é um supercondutor de óxido de cobre de alta temperatura, especificamente um material de óxido de cobre de bismuto, estrôncio, cálcio. Ao medir suas características de energia eletrônica, os pesquisadores encontraram uma correspondência entre um fenômeno anteriormente conhecido como pseudogap (Pseudogap) e a energia necessária para o emparelhamento de elétrons. Isto fornece uma nova base experimental para a compreensão do mecanismo de emparelhamento de elétrons na supercondutividade de alta temperatura.
O artigo de pesquisa relevante é intitulado "Equivalência de pseudogap e energia de emparelhamento em um supercondutor cuprato de alta temperatura" e foi publicado na revista Science em 5 de novembro de 2026. Os principais autores do artigo incluem Jiasen Niu e Maialen Ortego Larrazabal, e a pesquisa foi concluída em colaboração com cientistas da Universidade de Utrecht, Universidade de Leiden, Universidade de Munique e outras instituições.
No entanto, esta descoberta não significa que os cientistas tenham criado materiais supercondutores à temperatura ambiente. Os pesquisadores não demonstraram que qualquer material possa atingir resistência zero à temperatura ambiente, nem demonstraram circuitos supercondutores que possam operar à temperatura ambiente. O verdadeiro avanço veio quando descobriram que a condição necessária para o emparelhamento de elétrons pode existir à temperatura ambiente, estreitando ainda mais o escopo do problema que precisa ser resolvido na busca por supercondutores à temperatura ambiente.
Em seguida, a equipa de investigação irá concentrar-se no estudo da coerência de fase, tentando descobrir porque é que os pares de electrões se podem formar à temperatura ambiente, mas não conseguem coordenar o seu movimento à mesma temperatura. Se eles conseguissem encontrar uma maneira de controlar esse processo, poderiam ser capazes de projetar novos materiais que pudessem ser supercondutores em temperaturas mais altas.
Do ponto de vista do significado da pesquisa, o valor mais importante desta conquista não é trazer imediatamente um novo material supercondutor, mas ajudar os cientistas a compreender com mais precisão o mecanismo físico da supercondutividade em alta temperatura. Nas últimas décadas, a pesquisa sobre supercondutividade à temperatura ambiente foi limitada por explicações teóricas incompletas. Agora, o emparelhamento de elétrons e a coerência de fase podem ser estudados separadamente, fornecendo uma direção mais clara para o próximo estágio de projeto de materiais e exploração experimental.
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