Os princípios físicos e possibilidades de usar a supercondutividade (incluindo aqueles já implementados) são descritos em abundância na literatura e na Internet, então aqui nos limitaremos a apenas uma breve excursão na essência deste fenômeno e as possibilidades de sua aplicação, e então passaremos para o mais interessante: quais (inovações) descobertas em as áreas de supercondutividade foram concluídas literalmente no ano passado.
Detalhado e popular sobre a supercondutividade é descrito no livro de Vitaly Ginzburg e Evgeny Andryushin, postado no site "Elements". Uma apresentação mais popular dos aspectos históricos e práticos da supercondutividade está em um material muito interessante sobre Habré no blog da Toshiba. Um artigo datado de 29 de julho de 2019, seus indicadores:
Portanto, a maioria das substâncias pode ser atribuída a condutores ou dielétricos. A corrente elétrica é uma sequência de elétrons que penetram em alta velocidade através de um material (principalmente, sólidos ou líquidos condutores) de uma fonte a um receptor. Qualquer substância possui algum índice de resistência. A resistência se deve ao movimento dos átomos de uma substância, e esses átomos capturam alguns elétrons do fluxo, pois vibram o tempo todo, desviando-se da posição base. Quanto mais alta a temperatura, mais pronunciado é o fenômeno. Mas quando um estado supercondutor é alcançado, qualquer movimento dos átomos em uma substância é interrompido e os elétrons penetram nele sem impedimento. Obviamente, esse estado deve ocorrer em temperaturas muito baixas, e é por isso que Kamerling-Oness o descobriu para mercúrio, chumbo e estanho em temperaturaspróximo do zero absoluto, que é 0 K ou -273,16 ° C. Uma corrente elétrica arbitrariamente fraca pode persistir em uma substância supercondutora indefinidamente. Já em 1933 (Kamerling-Oness morreu em 1926) Walter Meissner e Robert Ochsenfeld descobriram uma propriedade igualmente notável que acompanha a supercondutividade: descobriu-se que a substância supercondutora empurra completamente seu próprio campo magnético. E isso abre o caminho para coisas futurísticas (então) como imagens de ressonância magnética eque a substância supercondutora empurra completamente seu próprio campo magnético. E isso abre o caminho para coisas futurísticas (então) como imagens de ressonância magnética eque a substância supercondutora empurra completamente seu próprio campo magnético. E isso abre o caminho para coisas futurísticas (então) como imagens de ressonância magnética e levitação magnética , bem como a criação de reatores termonucleares .
Aqui, notamos que Kamerling-Oness fez experiências com metais pesados e também descobriu a primeira liga que entra em um estado de supercondutividade e consiste em mercúrio, ouro e chumbo. Conseqüentemente, a busca por substâncias que adquiram propriedades supercondutoras na temperatura mais alta possível tornou-se a principal tarefa no caminho para a aplicação prática da supercondutividade.
Metal, temperatura de transição supercondutora e ano de descoberta. Fonte de ilustração
Assim, a pesquisa científica no campo de supercondutores de alta temperatura tem gradualmente mudado de metais pesados para metais de transição, ligas, compostos intermetálicos e não metais. Compostos de cobre (cupratos) e compostos com a participação de metais raros e de terras raras (samário, ítrio) revelaram-se especialmente promissores.
Fonte (outubro de 2019)
Como fica claro neste gráfico, horizontalmente é o ano da descoberta das propriedades supercondutoras em uma substância, e verticalmente - a temperatura de transição para o estado supercondutor. Metais, compostos de metais com semimetais e não metais são indicados em azul. Nesta categoria, atenção deve ser dada ao nióbio (Nb), cujos compostos permitiram pela primeira vez elevar o limiar de supercondutividade para a região de 20 K. Os cupratos são indicados em vermelho, o mais famoso dos quais é, talvez, YBaCuO (ítrio, bário, cobre, oxigênio) - o primeiro composto , adquirindo propriedades supercondutoras acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido.
Compostos de lantanídeos (lantânio La e samário Sm) com ferro (Fe) e elementos do grupo nitrogênio (P, As) são mostrados em verde - o que também é lógico, visto que a supercondutividade do nitreto de nióbio foi investigada em 1940.
YBaCuO é tão importante no contexto deste artigo que uma imagem de sua estrutura cristalina, além de uma descrição detalhada dessa estrutura, será fornecida agora.
A estrutura cristalina de YBa 2 Cu 3 O 7 −δ para (A) δ = 0 (YBa 2 Cu 3 O 7 ), em que todas as posições de oxigênio nos planos basais ao longo do eixo b estão ocupadas, e para (B) δ = 1 (YBa 2 Cu 3 O 6) quando todas essas posições não estão ocupadas. Um grau intermediário de enchimento de oxigênio é alcançado quando tal amostra é temperada em uma atmosfera de oxigênio. A estrutura cristalina é quadrangular para δ ≥ 0,6 e ortorrômbica para δ <0,6.
A estrutura cristalina da estrutura YBCO é a perovskita de variação complicada mostrada na Figura 4. Como fica claro na figura, a célula unitária é composta do cubo YBCO YCuO 3 para os cubos superiores e inferiores adjacentes BaCuO 3, mas algumas das posições de oxigênio permanecem vazias. As posições do oxigênio localizadas no mesmo plano horizontal do átomo de ítrio nunca são preenchidas, devido a que os átomos de oxigênio existentes são ligeiramente deslocados em direção ao átomo de ítrio. A fase ortorrômbica de YBa 2 Cu 3 O 7-δ tem os seguintes parâmetros de rede: a = 0,382 nm, b = 0,388 nm ec = 1,168 nm, quando o valor de δ é muito pequeno. O conteúdo de oxigênio em YBCO determina sua estrutura cristalina e a frequência de orifícios nos planos de CuO2. Em δ = 1, o composto (YBa 2 Cu 3 O 6) . δ = 0,4 , Y-Ba-Cu-O . Tc 92 K δ ≈ 0,06, , , . , δ < 0,06 Tc , , CuO2 .A formação da fase quadrangular é observada em temperaturas na faixa de 700–900 ° C, e a fase ortorrômbica é formada quando a fase quadrangular é resfriada lentamente em uma atmosfera de oxigênio a uma temperatura de cerca de 550 ° C. Na transição da fase quadrangular para a fase ortorrômbica, muitos domínios gêmeos diferentes são formados, uma vez que o estresse é removido da substância. Na fase quadrangular, os átomos de oxigênio ocupam aleatoriamente cerca de metade dos lugares atribuídos a eles nos planos basais, durante os quais eles se alinham na direção b em cadeias de Cu-O que surgem na fase ortorrômbica. Por causa disso, na fase ortorrômbica, as posições dos átomos de oxigênio são desocupadas na direção a, o que posteriormente leva a uma leve compressão da célula unitária de tal forma que a <b. A contribuição para a supercondutividade é feita como planos CuO 2 e cadeias CuO presentes na fase ortorrômbica.
A parte mais importante da passagem anterior está em negrito. De fato, a supercondutividade e a repulsão do campo magnético estão associadas não apenas e não tanto à temperatura do material como à estrutura atômica de sua rede. YBCO pode ser um supercondutor e um isolante; suas propriedades dependem das posições dos átomos de oxigênio na rede cristalina.
Fenômenos semelhantes tornam possível alcançar a supercondutividade em camadas planas de grafeno localizadas o mais próximo possível umas das outras. Quando você gira uma camada de grafeno em relação à outra pelo chamado " ângulo mágico"(Cerca de 1,1 graus) supercondutividade aparece; no entanto, em temperaturas muito baixas, da ordem de –269 ° C. Mais detalhes sobre as propriedades supercondutoras do grafeno são descritos no material " Superconductor from flat graphene. Estudo de zonas planas "em Habré.
Assim, uma forma promissora de busca por substâncias supercondutoras leva a estudos de compostos exóticos de metais com não metais. Como logo se convenceu, os hidretos metálicos entram em um estado supercondutor em temperaturas ainda mais altas do que os nitretos. Ao mesmo tempo, notamos que a temperatura de tal transição pode ser aumentada não apenas por uma seleção engenhosa de conexões, mas também pelo aumento da pressão.
Até cerca de 2015, os cupratos sem dúvida dominaram a liderança de supercondutores cada vez mais de alta temperatura, e HgBa 2 CuO 4 + δ , (mercúrio-bário-cobre-oxigênio) sintetizado em 1993, foi um detentor do recorde absoluto, passando para um estado supercondutor a uma temperatura de 164 K ou - 109 ° C Mas em 2015 foi descoberto que a uma temperatura de 203 K (apenas -70 ° C), o sulfeto de hidrogênio H 2 S entra em um estado supercondutor ; entretanto, tal transição requer uma pressão de 1,5 milhão de atmosferas, o que praticamente exclui a possibilidade de uso de sulfeto de hidrogênio como supercondutor. No entanto, essa descoberta deu origem à busca pela supercondutividade em hidretos.
Em maio de 2019, a supercondutividade do hidreto de lantânio (LaH 10 ) foi confirmada a uma temperatura de -23 ° C - nessa temperatura e pressão de cerca de 2 milhões de atmosferas, o hidreto de lantânio se livrou de seu campo magnético. Em novembro de 2019, foi obtido o hidreto de tório ThH 10 , no qual a supercondutividade ocorre a uma temperatura de -112 ° C e 1,7 milhão de atmosferas. Os especialistas da Skoltech, Artem Oganov e Ivan Troyan, desempenham um papel fundamental nesta conquista.
Finalmente, em outubro de 2020, a Universidade de Rochester conseguiu atingir a supercondutividade em hidreto de enxofre carbonáceo a uma pressão de cerca de 2,6 milhões de atmosferas e em temperaturas próximas à temperatura ambiente: 15 graus Celsius.
Portanto, há duas maneiras pelas quais a ciência está se aproximando da supercondutividade de alta temperatura relativamente barata e viável:
Experimentar cupratos à pressão atmosférica, alcançando gradualmente um aumento em Tc para congelamento moderado, para cerca de 200 K (-73 ° C).
Estamos fazendo experiências com hidretos, que já permitiram obter supercondutividade à temperatura ambiente, e estamos tentando reduzir a pressão de milhões de atmosferas para uma aceitável.
Claro, é necessário mencionar a terceira via, ou seja, o uso de compostos de boro. No canto direito da tabela cronológica acima está o diboreto de magnésio MgB 2 .
É obtido por sinterização de substâncias simples (boro e magnésio) e já é utilizado na construção de tomógrafos em substituição às ligas de nióbio-titânio. A temperatura crítica dessa substância é –39 K, ou seja, é significativamente mais alta do que a dos compostos supercondutores de nióbio. Os experimentos com supercondutores à base de boro continuam (mais uma vez, faremos uma reserva de que esta classe de substâncias atinge supercondutividade na pressão atmosférica normal), e um dos materiais mais promissores contendo boro é o BSiC 2 , um artigo sobre o qual foi publicadoem março de 2020. De acordo com cálculos teóricos, deve atingir T c a uma temperatura de cerca de 73,6 K, e seu composto relacionado, mais estável BC 3, a temperaturas de cerca de 40 K.
Existem suposições cautelosas, segundo o qual o hidrogênio metálico puro pode ser um supercondutor ideal operando em temperatura ambiente. Além disso, de acordo com o esquema apresentado no artigo "Hidretos supercondutores sob pressão" publicado em 26 de setembro de 2019, o hidrogênio metálico sólido poderia manter propriedades supercondutoras até temperaturas acima de 750 K, ou seja, até quase 500 graus Celsius. Por outro lado, isso exigiria uma pressão colossal - mais de 400 GPa.
Uma abordagem, presumivelmente permitindo reduzir a pressão para obter supercondutividade com a participação do hidrogênio - para fazer experiências com compostos de hidrocarbonetos que serão saturados ao máximo com átomos de hidrogênio, e o carbono fornecerá ligações eletrônicas fortes, potencialmente permitindo que o material permaneça intacto mesmo quando a pressão for liberada No entanto, experimentos com compostos como carbono, hidrogênio e enxofre ainda não dão o resultado desejado, provavelmente porque efeitos da mecânica quântica entre átomos, que ainda não foram levados em conta, entram em ação.
Nesse ponto, a revisão poderia ter terminado com um tímido "bem, vamos pegar o hidrogênio metálico - então conversaremos", mas terminaremos de forma diferente.
Artem Oganov e Ivan Troyan, que foram mencionados acima em conexão com sua supercondutividade descoberta de hidreto de tório, bem como o estudante graduado Dmitry Semyonok de Skoltech e Alexander Kvashnin de MIPT desenvolveram o algoritmo evolucionário USPEX. Este algoritmo permite prever o alcance da temperatura T c em uma determinada estrutura cristalina, dependendo da posição de seus elementos constituintes na tabela periódica. Uma visão geral detalhada do algoritmo USPEX é fornecida aqui . No momento, está planejado treinar uma rede neural para reconhecer essas dependências e procurar conexões que permitirão trazer a pressão que fornece supercondutividade de alta temperatura para valores aceitáveis.
Resta esperar que o sucesso desta equipe esteja muito próximo.