A supercondutividade de Mercúrio finalmente explicada

Há mais de 100 anos, o físico Heike Kamerlingh Onnes descobriu que o mercúrio sólido atua como um supercondutor. Agora, pela primeira vez, os físicos têm uma compreensão microscópica completa de por que isso acontece. Usando um método computacional moderno de primeiros princípios, uma equipe da Universidade de L'Aquila, na Itália, encontrou várias anomalias nas propriedades eletrônicas e de rede do mercúrio, incluindo um efeito de triagem de elétrons até então não descrito que promove a supercondutividade ao reduzir a repulsão entre pares de elétrons supercondutores. A equipe também determinou a temperatura teórica na qual ocorre a transição de fase supercondutora do mercúrio – informação anteriormente ausente dos livros didáticos de matéria condensada.

A supercondutividade é a capacidade de um material conduzir eletricidade sem qualquer resistência. É observado em muitos materiais quando eles são resfriados abaixo de uma temperatura crítica T_c que marca a transição para o estado supercondutor. Na teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) da supercondutividade convencional, essa transição ocorre quando os elétrons superam sua repulsão elétrica mútua para formar os chamados “pares de Cooper” que então viajam sem impedimentos através do material como uma supercorrente.

O mercúrio sólido tornou-se o primeiro supercondutor conhecido em 1911, quando Onnes resfriou o elemento a temperaturas de hélio líquido. Embora tenha sido posteriormente classificado como um supercondutor convencional, seu comportamento nunca foi totalmente explicado, nem sua temperatura crítica foi prevista - uma situação que Gianna Profeta, que liderou o recente esforço para reparar esse descuido, chama de “irônico”.

“Embora sua temperatura crítica seja extremamente baixa em comparação com temperaturasT_c materiais como os cupratos (óxidos de cobre) e os hidretos de alta pressão, o mercúrio teve um papel especial na história da supercondutividade, servindo como um importante referencial para as teorias fenomenológicas no início dos anos 1960 e 1970”, diz Profeta. “Isso é realmente irônico, que o mercúrio, o elemento no qual a supercondutividade foi relatada pela primeira vez, nunca havia sido estudado pelos métodos modernos de primeiros princípios para supercondutores.”

Não são necessários parâmetros empíricos ou mesmo semi-empíricos

Em seu trabalho, Profeta e colegas começaram com um contrafactual: se Onnes não tivesse descoberto a supercondutividade no mercúrio em 1911, os cientistas poderiam prever sua existência hoje usando técnicas computacionais de ponta? Para responder a essa pergunta, eles usaram uma abordagem chamada SuperConducting Density Functional Theory (SCDFT), que é considerada uma das formas mais precisas de descrever as propriedades supercondutoras de materiais do mundo real.

Em abordagens de primeiros princípios como SCDFT, explica Profeta, as equações fundamentais da mecânica quântica que descrevem o comportamento de núcleos e elétrons em materiais são resolvidas numericamente, sem a introdução de parâmetros empíricos ou mesmo semi-empíricos. A única informação exigida pelo SCDFT é o arranjo no espaço dos átomos que formam um determinado material, embora algumas aproximações padrão sejam geralmente empregadas para manter os tempos computacionais administráveis.

Usando essa técnica, os pesquisadores descobriram que uma panóplia de fenômenos se juntam para promover a supercondutividade no mercúrio. Os comportamentos que eles descobriram incluíam efeitos de correlação incomuns na estrutura cristalina do material; correções relativísticas em sua estrutura eletrônica que alteram as frequências dos fônons, que são vibrações da rede cristalina; e uma renormalização anômala da repulsão residual de Coulomb entre elétrons devido a baixa altitude (em cerca de 10 eV) d-estados.

Tais efeitos poderiam ser, e foram, negligenciados na maioria dos supercondutores (convencionais), diz Profeta, mas não no mercúrio. O efeito de blindagem, em particular, produz um aumento de 30% na temperatura crítica efetiva do elemento. “Neste estudo, percebemos que, embora o mercúrio tenha sido considerado um sistema bastante simples por causa de sua estrutura e química descomplicadas, na verdade é um dos supercondutores mais complexos que encontramos”, conta Profeta Mundo da física.

Efeitos de acoplamento spin-órbita são importantes

Depois de levar todos esses fatores em consideração, os pesquisadores previram uma T_c para mercúrio que estava dentro de 2.5% do valor real medido experimentalmente. Eles também descobriram que, se os efeitos relativísticos, como o acoplamento spin-órbita (a interação entre o spin de um elétron e sua órbita ao redor do núcleo atômico) não fossem incluídos nos cálculos, alguns modos de fônon se tornavam instáveis, indicando uma tendência do sistema para distorcer em uma estrutura menos simétrica. Tais efeitos, portanto, desempenham um papel crucial na determinação da temperatura crítica do mercúrio. “Como mostra nossa experiência cotidiana, o mercúrio à temperatura ambiente está em um estado de metal líquido bastante incomum, que se reflete em modos de fônon de energia muito baixa (mas não instáveis)”, explica Profeta. “Descrever esses modos com precisão requer cuidados especiais.”

Os pesquisadores afirmam que seu trabalho, detalhado em Revisão Física B, tem importância histórica. “Agora conhecemos os mecanismos microscópicos em jogo no primeiro supercondutor já descoberto e determinamos sua transição de fase supercondutora – informação que faltava para o primeiro supercondutor a ser descoberto”, diz Profeta.

Essa nova compreensão do supercondutor mais antigo do mundo, por meio de uma abordagem de material por design, só foi possível graças a cálculos de alto rendimento, acrescenta ele. Esses cálculos são capazes de rastrear milhões de combinações teóricas de materiais e selecionar aqueles que poderiam ser supercondutores convencionais em condições próximas às ambientais. Encontrar esses materiais supercondutores à temperatura ambiente melhoraria muito a eficiência de geradores elétricos e linhas de transmissão, além de simplificar aplicações comuns de supercondutividade, como ímãs supercondutores em aceleradores de partículas e máquinas de ressonância magnética.

“Os peculiares efeitos de renormalização de Coulomb descobertos no mercúrio podem ser explorados para projetar novos materiais, com uma densidade eletrônica de perfil de estados semelhante ao mercúrio, fornecendo um botão adicional para aumentar a temperatura crítica dos materiais”, diz Profeta. “Agora estamos explorando essa possibilidade.”