Uma nova era de pesquisa de supercondutividade – cientistas descobrem material ‘Goldilocks’
Ilustração de levitação supercondutora

Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Viena e de universidades no Japão identificaram a “zona dourada” para a supercondutividade ideal usando simulações de computador. Essa zona, onde a interação entre os elétrons é forte, mas não muito forte, está sendo alcançada com uma nova classe de materiais chamada paladatos, que pode abrir uma nova era na pesquisa de supercondutividade.

A Universidade de Tecnologia de Viena realizou cálculos que sugerem o uso do metal precioso paládio como um material “goldilocks” para a produção de supercondutores que permanecem supercondutores mesmo em temperaturas relativamente altas.

Uma tarefa empolgante está em andamento no campo da física moderna: identificar o método ideal para fabricar supercondutores que retêm sua supercondutividade em altas temperaturas e pressões ambientais. Essa busca foi recentemente revivida pelo surgimento dos niquelados, que anunciaram uma nova era na supercondutividade.

A base desses supercondutores é o níquel, razão pela qual muitos cientistas se referem a esse período de pesquisa de supercondutividade como a “Era do Níquel”. Os niquelados são em muitos aspectos semelhantes aos cupratos à base de cobre encontrados na década de 1980.

Mas agora uma nova classe de materiais está entrando em jogo: em uma cooperação entre a Universidade de Tecnologia de Viena e universidades no Japão, o comportamento de vários materiais pode ser simulado com mais precisão do que antes no computador.

Existe uma “zona Cachinhos Dourados” na qual a supercondutividade funciona particularmente bem. E esta zona não é atingida nem com níquel nem com cobre, mas com paládio. Isso poderia anunciar uma nova “era de Palladates” na pesquisa de supercondutividade. Os resultados já foram publicados na revista

The search for higher transition temperatures

At high temperatures, superconductors behave very similarly to other conducting materials. But when they are cooled below a certain “critical temperature”, they change dramatically: their electrical resistance disappears completely and suddenly they can conduct electricity without any loss. This limit, at which a material changes between a superconducting and a normally conducting state, is called the “critical temperature”.

“We have now been able to calculate this “critical temperature” for a whole range of materials. With our modeling on high-performance computers, we were able to predict the phase diagram of nickelate superconductivity with a high degree of accuracy, as the experiments then showed later,” says Prof. Karsten Held from the Institute of Solid State Physics at TU Wien.

Many materials become superconducting only just above absolute zero (-273.15°C), while others retain their superconducting properties even at much higher temperatures. A superconductor that still remains superconducting at normal room temperature and normal atmospheric pressure would fundamentally revolutionize the way we generate, transport, and use electricity. However, such a material has not yet been discovered.

Nevertheless, high-temperature superconductors, including those from the cuprate class, play an important role in technology – for example, in the transmission of large currents or in the production of extremely strong magnetic fields.

Copper? Nickel? Or Palladium?

The search for the best possible superconducting materials is difficult: there are many different chemical elements that come into question. You can put them together in different structures, you can add tiny traces of other elements to optimize superconductivity. “To find suitable candidates, you have to understand on a quantum-physical level how the electrons interact with each other in the material,” says Prof. Karsten Held.

This showed that there is an optimum for the interaction strength of the electrons. The interaction must be strong, but also not too strong. There is a “golden zone” in between that makes it possible to achieve the highest transition temperatures.

Palladates as the optimal solution

This golden zone of medium interaction can be reached neither with cuprates nor with nickelates – but one can hit the bull’s eye with a new type of material: so-called palladates. “Palladium is directly one line below nickel in the periodic table. The properties are similar, but the electrons there are on average somewhat further away from the atomic nucleus and each other, so the electronic interaction is weaker,” says Karsten Held.

The model calculations show how to achieve optimal transition temperatures for palladium data. “The computational results are very promising,” says Karsten Held. “We hope that we can now use them to initiate experimental research. If we have a whole new, additional class of materials available with palladates to better understand superconductivity and to create even better superconductors, this could bring the entire research field forward.”

Reference: “Optimizing Superconductivity: From Cuprates via Nickelates to Palladates” by Motoharu Kitatani, Liang Si, Paul Worm, Jan M. Tomczak, Ryotaro Arita and Karsten Held, 20 April 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.166002

By Gabriel Ana

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