Óxidos de paládio podem produzir melhores supercondutores

May 27, 2023

Palladatos – materiais óxidos baseados no elemento paládio – poderiam ser usados ​​para fazer supercondutores que trabalham em temperaturas mais altas do que cupratos (óxidos de cobre) ou niquelados (óxidos de níquel), segundo cálculos de pesquisadores da Universidade de Hyogo, Japão, TU Wien e colegas. O novo estudo identifica ainda dois desses paladados como sendo "virtualmente ótimos" em termos de duas propriedades importantes para supercondutores de alta temperatura: a força da correlação e as flutuações espaciais dos elétrons no material.

Supercondutores são materiais que conduzem eletricidade sem resistência quando resfriados abaixo de uma certa temperatura de transição, Tc. O primeiro supercondutor a ser descoberto foi o mercúrio sólido em 1911, mas sua temperatura de transição é apenas alguns graus acima do zero absoluto, o que significa que é necessário um refrigerante de hélio líquido caro para mantê-lo na fase supercondutora. Vários outros supercondutores "convencionais", como são conhecidos, foram descobertos logo depois, mas todos têm valores de Tc igualmente baixos.

No entanto, a partir do final da década de 1980, surgiu uma nova classe de supercondutores de "alta temperatura" com Tc acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido (77 K). Esses supercondutores "não convencionais" não são metais, mas isoladores contendo óxidos de cobre (cupratos), e sua existência sugere que a supercondutividade pode persistir em temperaturas ainda mais altas. Recentemente, pesquisadores identificaram materiais baseados em óxidos de níquel como sendo bons supercondutores de alta temperatura na mesma linha de seus primos cuprato.

Um dos principais objetivos desta pesquisa é encontrar materiais que permaneçam supercondutores mesmo em temperatura ambiente. Esses materiais melhorariam muito a eficiência de geradores elétricos e linhas de transmissão, além de tornar as aplicações comuns de supercondutividade (incluindo ímãs supercondutores em aceleradores de partículas e dispositivos médicos como scanners de ressonância magnética) mais simples e baratas.

A teoria clássica da supercondutividade (conhecida como teoria BCS após as iniciais de seus descobridores, Bardeen, Cooper e Schrieffer) explica por que o mercúrio e a maioria dos elementos metálicos superconduzem abaixo de seu Tc: seus elétrons fermiônicos se unem para criar bósons chamados pares de Cooper. Esses bósons formam um condensado de fase coerente que pode fluir através do material como uma supercorrente que não sofre espalhamento, e a supercondutividade aparece como resultado. A teoria é insuficiente, no entanto, quando se trata de explicar os mecanismos por trás dos supercondutores de alta temperatura. De fato, a supercondutividade não convencional é um problema fundamental não resolvido na física da matéria condensada.

Para entender melhor esses materiais, os pesquisadores precisam saber como os elétrons desses metais de transição 3D estão correlacionados e quão fortemente eles interagem uns com os outros. Os efeitos de flutuação espacial (que são intensificados pelo fato de que esses óxidos são tipicamente feitos como materiais bidimensionais ou de película fina) também são importantes. Embora técnicas como as perturbações esquemáticas de Feynman possam ser usadas para descrever tais flutuações, elas falham quando se trata de capturar efeitos de correlação como a transição metal-isolante (Mott), que é um dos pilares da supercondutividade de alta temperatura.

É aqui que um modelo conhecido como teoria do campo médio dinâmico (DMFT) entra em ação. No novo trabalho, os pesquisadores liderados pelo físico de estado sólido da TU Wien, Karsten Held, usaram as chamadas extensões diagramáticas para DMFT para estudar o comportamento supercondutor de vários compostos de paladato.

Os supercondutores de cuprato contêm um componente estranho

Os cálculos, detalhados em Physical Review Letters, revelam que a interação entre os elétrons deve ser forte, mas não muito forte, para atingir altas temperaturas de transição. Nem os cupratos nem os niquelados estão próximos dessa interação ótima de tipo médio, mas os palladatos estão. "O paládio está diretamente uma linha abaixo do níquel na tabela periódica", observa Held. "As propriedades são semelhantes, mas os elétrons estão, em média, um pouco mais distantes do núcleo atômico e uns dos outros, então a interação eletrônica é mais fraca."