Novas Ligas de Alta Entropia Mostram Potencial para Supercondutividade

Materiais supercondutores são uma área muito interessante de pesquisa porque eles conseguem conduzir eletricidade sem resistência em temperaturas baixas. Recentemente, os cientistas têm estudado um novo grupo de materiais conhecido como ligas de alta entropia (HEAs). Esses materiais são feitos de uma mistura de vários elementos diferentes, o que cria um alto nível de desordem. Tradicionalmente, supercondutores têm estruturas bem ordenadas, então encontrar Supercondutividade nessas HEAs desordenadas levanta questões importantes.

No nosso estudo recente, focamos em dois tipos de novas HEAs feitas de Metais de Transição: uma chamada ReOMWZ e a outra chamada RuOMWZ. Cada liga tem uma estrutura única-ReOMWZ tem um arranjo específico sem um ponto central (não centrossimétrico), enquanto RuOMWZ tem uma estrutura hexagonal em camadas. Essas diferenças estruturais são importantes porque podem afetar como o material se comporta como supercondutor.

Ambas as ligas mostraram sinais de supercondutividade através de vários testes. Medimos propriedades chave, incluindo a capacidade de atrair campos magnéticos (Magnetização em massa), resistividade elétrica (quão facilmente a eletricidade flui através delas) e Calor Específico (como o material responde ao calor). Nossos achados confirmaram que ambas as ligas são supercondutores do tipo II, que podem permitir que campos magnéticos penetrem nelas de forma controlada.

#O Que São Ligas de Alta Entropia?

Ligas de alta entropia são um conceito relativamente novo na ciência dos materiais. Elas são feitas combinando pelo menos cinco elementos metálicos diferentes, cada um contribuindo entre 5 e 35% da mistura. Essa combinação resulta em um material com um arranjo bastante aleatório, ou entropia, que pode melhorar certas propriedades desejáveis. Por causa de sua estrutura única, HEAs podem mostrar comportamentos especiais, como diferentes tipos de magnetismo e supercondutividade.

O estudo das HEAs ganhou popularidade rapidamente nos últimos anos, revelando possibilidades empolgantes para novos materiais que poderiam ser usados em tecnologia e engenharia. As características incomuns das HEAs as tornam ideais para investigar questões científicas fundamentais sobre como os materiais se comportam em diferentes condições.

#As Ligas que Estudamos

Na nossa pesquisa, criamos duas novas HEAs: ReOMWZ, que inclui elementos como Rênio (Re), Ósmio (Os), Molibdênio (Mo), Tungstênio (W) e Zircônio (Zr), e RuOMWZ, que também inclui Rutênio (Ru) em uma disposição diferente. Ambas as ligas foram sintetizadas através de um processo chamado fusão por arco, onde versões de alta pureza de cada elemento são derretidas juntas em uma câmara cheia de argônio para criar um material uniforme.

A chave do nosso estudo foi entender como a estrutura dessas ligas se relaciona com suas propriedades supercondutoras. Analisando o arranjo atômico usando difração de raios-X, confirmamos que ReOMWZ tem uma estrutura não centrossimétrica, enquanto RuOMWZ formou uma estrutura hexagonal.

#Principais Descobertas Sobre Supercondutividade

Medimos as temperaturas nas quais ambas as ligas fazem a transição para o estado supercondutor, conhecido como temperatura de transição supercondutora (T_c). Para ReOMWZ, essa temperatura estava em torno de 4,90 Kelvin, enquanto RuOMWZ teve uma transição em cerca de 2,90 Kelvin. Essas medições sugerem que ambos os materiais conseguem conduzir eletricidade sem resistência em temperaturas muito baixas.

Outro aspecto importante dos supercondutores é seus campos magnéticos críticos, que é a força máxima do campo magnético que eles podem suportar antes de deixarem de ser supercondutores. Nos nossos testes, descobrimos que ambas as ligas têm campos críticos superiores que superam os limites usuais estabelecidos por propriedades magnéticas conhecidas. Isso indica um comportamento potencialmente não convencional em sua natureza supercondutora.

#Calor e Magnetismo

Como parte do nosso estudo, medimos como ambas as ligas reagem a mudanças de temperatura e campos magnéticos. Usamos medições de calor específico para entender como o calor é absorvido e liberado à medida que os materiais fazem a transição do estado normal para o estado supercondutor. Esses experimentos mostraram um salto distinto no calor específico nas temperaturas de transição supercondutoras, indicando uma mudança clara no comportamento.

As medições também revelaram que ambas as ligas exibem um padrão específico de propriedades térmicas que se alinham com o que seria esperado de supercondutores. Especificamente, os dados sugeriram uma abertura de gap isotrópico na temperatura de transição-isso ajuda a confirmar a natureza supercondutora dos materiais.

#Resistência Elétrica

Nós também examinamos como a resistência elétrica muda à medida que a temperatura cai, que é crítico para entender a supercondutividade. Nossas medições de resistividade em zero campo mostraram que ambos os materiais têm baixas razões de resistividade residual, indicando que se comportam como metais ruins. Isso significa que não permitem facilmente que a eletricidade flua antes de entrar no estado supercondutor.

A concentração de portadores de carga, que nos diz sobre o número de partículas carregando carga elétrica, foi calculada para ambas as ligas. Os dados indicaram que os elétrons são os principais portadores de carga, consistente com descobertas em outros supercondutores HEA.

#Insights da Magnetização

Medições magnéticas foram essenciais para confirmar o comportamento supercondutor dessas ligas. Ao observar como os materiais reagiram a campos magnéticos sob diferentes condições, conseguimos validar a presença de supercondutividade. As curvas de magnetização para ambas as ligas exibiram um sinal diamagnético forte, que é uma marca registrada da supercondutividade.

Fizemos testes adicionais para determinar o campo crítico inferior, o ponto em que os campos magnéticos começam a afetar o estado supercondutor. Nossos achados mostraram que tanto ReOMWZ quanto RuOMWZ têm campos críticos inferiores significativos, apoiando ainda mais sua classificação como supercondutores do tipo II.

#Explorando Aplicações Futuras

Os resultados empolgantes do nosso estudo apresentam novas oportunidades para aplicar essas HEAs na tecnologia. As propriedades únicas vistas em ReOMWZ e RuOMWZ podem abrir caminho para materiais supercondutores avançados que podem ser usados em várias aplicações, incluindo transmissão de energia, levitação magnética e computação quântica.

No entanto, mais pesquisa é necessária para entender completamente os mecanismos que impulsionam a supercondutividade nessas ligas. Estudos futuros poderiam investigar o papel da desordem estrutural e as propriedades eletrônicas específicas desses materiais para ajudar a delinear como eles podem ser otimizados para uso prático.

#Conclusão

Em resumo, nossa exploração das propriedades supercondutoras das novas ligas de alta entropia ReOMWZ e RuOMWZ revelou resultados promissores. Ambos os materiais exibem supercondutividade em temperaturas baixas e possuem propriedades chave que sugerem que podem se comportar de forma diferente dos supercondutores tradicionais. Ao combinar diversos metais de transição, criamos ligas únicas que oferecem um vislumbre do futuro da ciência dos materiais e abrem caminho para tecnologias inovadoras. Investigações adicionais serão essenciais para desbloquear todo o potencial desses materiais fascinantes.