Cientistas revelam o primeiro supercondutor não convencional que pode ser encontrado em forma mineral na natureza
Imagem de um cristal miassita cultivado por Paul Canfield. Crédito:De Materiais de Comunicação (2024). DOI:10.1038/s43246-024-00456-w Cientistas do Laboratório Nacional Ames identificaram o primeiro supercondutor não convencional com composição química também encontrada na natureza. Miassita é um dos quatro minerais encontrados na natureza que atuam como supercondutores quando cultivados em laboratório. A investigação da equipe sobre o miassite revelou que se trata de um supercondutor não convencional com propriedades semelhantes às dos supercondutores de alta temperatura.
Suas descobertas, publicadas em Materiais de Comunicação , aprofundará a compreensão dos cientistas sobre este tipo de supercondutividade, o que poderá levar a uma tecnologia baseada em supercondutores mais sustentável e económica no futuro.
Supercondutividade é quando um material pode conduzir eletricidade sem perda de energia. Os supercondutores têm aplicações que incluem máquinas médicas de ressonância magnética, cabos de energia e computadores quânticos. Os supercondutores convencionais são bem compreendidos, mas têm temperaturas críticas baixas. A temperatura crítica é a temperatura mais alta na qual um material atua como supercondutor.
Na década de 1980, os cientistas descobriram supercondutores não convencionais, muitos dos quais têm temperaturas críticas muito mais elevadas. Segundo Ruslan Prozorov, cientista do Ames Lab, todos esses materiais são cultivados em laboratório. Este facto levou à crença geral de que a supercondutividade não convencional não é um fenómeno natural.
Prozorov explicou que é difícil encontrar supercondutores na natureza porque a maioria dos elementos e compostos supercondutores são metais e tendem a reagir com outros elementos, como o oxigênio. Ele disse que miassita (Rh17 S15 ) é um mineral interessante por vários motivos, um dos quais é a sua fórmula química complexa. "Intuitivamente, você pensa que isso é algo produzido deliberadamente durante uma pesquisa focada e que não pode existir na natureza", disse Prozorov, "mas acontece que existe."
Paul Canfield, distinto professor de física e astronomia na Iowa State University e cientista do Ames Lab, tem experiência em design, descoberta, crescimento e caracterização de novos materiais cristalinos. Ele sintetizou cristais de miassita de alta qualidade para este projeto. “Embora a miassita seja um mineral descoberto perto do rio Miass, no Oblast de Chelyabinsk, na Rússia”, disse Canfield, “é raro que geralmente não cresça como cristais bem formados”.
O cultivo dos cristais de miassita foi parte de um esforço maior para descobrir compostos que combinassem elementos de ponto de fusão muito alto (como Rh) e elementos voláteis (como S). “Ao contrário da natureza dos elementos puros, temos dominado o uso de misturas desses elementos que permitem o crescimento de cristais em baixa temperatura com pressão de vapor mínima”, disse Canfield.
"É como encontrar um buraco de pesca escondido cheio de peixes grandes e gordos. No sistema Rh-S descobrimos três novos supercondutores. E, através das medições detalhadas de Ruslan, descobrimos que o miassite é um supercondutor não convencional."
O grupo de Prozorov é especializado em técnicas avançadas para estudar supercondutores em baixas temperaturas. Ele disse que o material precisava estar tão frio quanto 50 milikelvins, o que equivale a cerca de -460°F.
A equipe de Prozorov usou três testes diferentes para determinar a natureza da supercondutividade do miassita. O teste principal é chamado de “profundidade de penetração em Londres”. Ele determina até que ponto um campo magnético fraco pode penetrar na superfície do supercondutor. Num supercondutor convencional, este comprimento é basicamente constante a baixa temperatura. No entanto, em supercondutores não convencionais, varia linearmente com a temperatura. Este teste mostrou que a miassita se comporta como um supercondutor não convencional.
Outro teste realizado pela equipe foi a introdução de defeitos no material. Prozorov disse que este teste é uma técnica exclusiva que sua equipe empregou na última década. Envolve bombardear o material com elétrons de alta energia. Este processo elimina os íons de suas posições, criando assim defeitos na estrutura cristalina. Esta desordem pode causar alterações na temperatura crítica do material.
Os supercondutores convencionais não são sensíveis a distúrbios não magnéticos, portanto este teste mostraria nenhuma ou muito pouca alteração na temperatura crítica. Os supercondutores não convencionais têm alta sensibilidade à desordem e a introdução de defeitos altera ou suprime a temperatura crítica. Também afeta o campo magnético crítico do material. No miassite, a equipe descobriu que tanto a temperatura crítica quanto o campo magnético crítico se comportavam conforme previsto em supercondutores não convencionais.
A investigação de supercondutores não convencionais melhora a compreensão dos cientistas sobre como eles funcionam. Prozorov explicou que isso é importante porque “descobrir os mecanismos por trás da supercondutividade não convencional é a chave para aplicações economicamente sólidas de supercondutores”.
