Pesquisadores desenvolvem ferramenta fundamental para compreender o comportamento de supercondutores de hidreto em alta pressão
Uma representação artística dos centros de vacâncias de nitrogênio em uma bigorna de diamante, que pode detectar a expulsão de campos magnéticos por um supercondutor de alta pressão. Crédito:Ella Marushchenko O hidrogênio (como muitos de nós) age de forma estranha sob pressão. A teoria prevê que, quando esmagado pelo peso de mais de um milhão de vezes o da nossa atmosfera, este elemento leve, abundante e normalmente gasoso torna-se primeiro num metal e, ainda mais estranhamente, num supercondutor – um material que conduz eletricidade sem resistência.
Os cientistas estão ansiosos por compreender e, eventualmente, aproveitar compostos supercondutores ricos em hidrogénio, chamados hidretos, para aplicações práticas – desde a levitação de comboios até aos detectores de partículas. Mas estudar o comportamento destes e de outros materiais sob pressões enormes e sustentadas é tudo menos prático, e medir com precisão esses comportamentos varia entre um pesadelo e uma impossibilidade.
Assim como a calculadora fez para a aritmética, e o ChatGPT fez para escrever ensaios de cinco parágrafos, os pesquisadores de Harvard acham que têm uma ferramenta fundamental para o espinhoso problema de como medir e visualizar o comportamento de supercondutores de hidreto em alta pressão.
Publicação na Natureza , eles relatam a integração criativa de sensores quânticos em um dispositivo indutor de pressão padrão, permitindo leituras diretas das propriedades elétricas e magnéticas do material pressurizado.
A inovação veio de uma colaboração de longa data entre o professor de física Norman Yao, Ph.D., e o professor da Universidade de Boston e ex-bolsista de pós-doutorado em Harvard, Christopher Laumann, que juntos romperam com suas formações teóricas para as considerações práticas de medição de alta pressão há vários anos.
A maneira padrão de estudar hidretos sob pressões extremas é com um instrumento chamado célula de bigorna de diamante, que comprime uma pequena quantidade de material entre duas interfaces de diamante de corte brilhante.
Para detectar quando uma amostra foi comprimida o suficiente para se tornar supercondutora, os físicos normalmente procuram uma assinatura dupla:uma queda na resistência elétrica para zero, bem como a repulsão de qualquer campo magnético próximo, também conhecido como Efeito Meissner. (É por isso que um supercondutor cerâmico, quando resfriado com nitrogênio líquido, pairará sobre um ímã).
O problema está em capturar esses detalhes. Para aplicar a pressão necessária, a amostra deve ser mantida no lugar por uma junta que distribua uniformemente o esmagamento e, em seguida, encerrada em uma câmara. Isso torna difícil “ver” o que está acontecendo lá dentro, então os físicos tiveram que usar soluções alternativas que envolvem múltiplas amostras para medir separadamente efeitos diferentes.
"O campo dos hidretos supercondutores tem sido um pouco controverso, em parte porque as técnicas de medição em altas pressões são muito limitadas", disse Yao.
"O problema é que você não pode simplesmente colocar um sensor ou uma sonda dentro, porque tudo está fechado e sob pressões muito altas. Isso torna extremamente difícil o acesso a informações locais de dentro da câmara. Como resultado, ninguém realmente observou as assinaturas duplas de supercondutividade em uma única amostra."
Para resolver o problema, os investigadores conceberam e testaram um retrofit inteligente:integraram uma fina camada de sensores, feitos de defeitos naturais na estrutura cristalina atómica do diamante, directamente na superfície da bigorna de diamante. Eles usaram esses sensores quânticos eficazes, chamados centros de vacância de nitrogênio, para criar imagens de regiões dentro da câmara enquanto a amostra é pressurizada e atravessa o território supercondutor.
Para provar seu conceito, eles trabalharam com hidreto de cério, um material conhecido por se tornar um supercondutor a cerca de um milhão de atmosferas de pressão, ou o que os físicos chamam de regime megabar.
A nova ferramenta poderia ajudar o campo não apenas ao permitir a descoberta de novos hidretos supercondutores, mas também ao permitir um acesso mais fácil às cobiçadas características dos materiais existentes, para estudo continuado.
"Você pode imaginar que, porque agora você está fazendo algo em uma célula de bigorna de diamante [vacância de nitrogênio], e você pode ver imediatamente que 'esta área agora é supercondutora, esta área não é', você poderia otimizar sua síntese e chegar a uma maneira de fazer amostras muito melhores", disse Laumann.
Mais informações: Norman Yao, Imaging the Meissner effect in hidreto supercondutores usando sensores quânticos, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07026-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07026-7 Informações do diário: Natureza
