A Competição Entre Supercondutividade e Formação Molecular no Hidreto de Lantânio

O hidreto de lantânio é um material especial porque consegue conduzir eletricidade sem resistência em altas temperaturas. Isso o torna um candidato empolgante para a Supercondutividade. Os cientistas acreditam que a habilidade dele de se tornar um supercondutor se deve a um processo onde pares de elétrons, chamados de Pares de Cooper, se formam e se movem pelo material sem perder energia.

Porém, rola uma competição dentro do hidreto de lantânio. De um lado, temos a formação desses pares de Cooper, que leva à supercondutividade. Do outro lado, temos a formação de moléculas, especificamente moléculas de hidrogênio. Esses dois processos estão em um cabo de guerra, e como eles se desenrolam depende da Pressão aplicada ao material.

Em pressões mais baixas, a ligação entre os átomos de hidrogênio é favorecida. Isso significa que, em vez de formar pares de Cooper, os átomos de hidrogênio tendem a se juntar para formar moléculas. À medida que diminuímos a pressão, a estrutura do material também muda, tornando-o menos estável para a supercondutividade.

Estudos anteriores frequentemente analisavam o material em condições estáticas, ignorando alguns fatores importantes que ajudam a manter a estrutura cúbica original estável. Um desses fatores é a temperatura do material. À medida que as temperaturas aumentam, isso afeta o comportamento dos átomos no material. Também há efeitos quânticos em jogo. Especificamente, o movimento dos núcleos ou núcleos atômicos pode interromper a formação de moléculas de hidrogênio e influenciar como a pressão é calculada. Os pesquisadores verificam esses comportamentos usando métodos que consideram tanto a mecânica clássica quanto a quântica.

A briga entre a formação de moléculas e a supercondutividade é significativa. Até agora, supercondutores de alta temperatura em hidretos só foram encontrados sob pressões extremas. Durante muitos anos, achou-se que o hidrogênio metálico se tornaria um supercondutor em alta temperatura devido ao seu baixo peso, que permite vibrações rápidas chamadas de frequências de fônons.

Praticamente, o problema com supercondutores de hidrogênio está no fato de que a formação de moléculas compete com o processo de formação de pares de Cooper. Em muitos materiais ricos em hidrogênio, os estados eletrônicos associados às moléculas de hidrogênio são encontrados muito mais baixos do que o nível de energia onde a supercondutividade ocorre. Além disso, outros fatores podem diminuir os níveis de energia, como a quebra de simetria nas vibrações de fônons.

Para superar a barreira da formação de moléculas, a supercondutividade pode ser induzida aplicando pressões muito altas ou adicionando outros elementos à mistura. A adição de elementos pode fornecer elétrons extras que ajudam a suprimir a formação de moléculas e empurrar o sistema em direção à supercondutividade.

Em células de bigorna de diamante, os pesquisadores criam ambientes ricos em hidrogênio e aumentam a pressão para formar supercondutores como o sulfeto de hidrogênio, que já foi bem estudado. O sulfeto de hidrogênio tem uma estrutura cúbica, que pode ser explicada usando cálculos padrão que se alinham com a maneira como a supercondutividade convencional funciona.

Recentemente, houve muitos relatos de supercondutividade em alta temperatura em vários compostos ricos em hidrogênio sob alta pressão. Realizar esses experimentos é difícil, e métodos computacionais usando a teoria do funcional de densidade (DFT) desempenham um papel crucial em determinar quão presente está o hidrogênio e como é a estrutura. Esses cálculos também mostram que altas temperaturas podem, de fato, surgir dos processos de supercondutividade convencionais.

Atualmente, o recorde da maior temperatura supercondutora está entre 250 K e 260 K no hidreto de lantânio, especificamente no LaH. Ainda existem vários desafios para entender melhor esse material e descobrir como melhorar seu desempenho.

Estudos de difração de raios-X revelaram que a fase supercondutora do LaH tem um arranjo cúbico face centrada de átomos de lantânio. No entanto, cálculos teóricos de funcional de densidade sugerem que essa estrutura cúbica pode não ser estável e pode estar sujeita a distorções que envolvem átomos de hidrogênio. Essa instabilidade pode causar problemas para métodos comumente usados, levando os pesquisadores a ignorar modos instáveis ou assumir que a estrutura cúbica é estável.

Há indícios de que fônons imaginários ocorrem no LaH em pressões abaixo de 150 GPa, o que significa que a estrutura não é estável a temperatura zero absoluto. No entanto, se a temperatura for alta o suficiente, outros estados de energia próximos podem ser explorados, permitindo que a estrutura cúbica observada ainda se mantenha média, como visto em experimentos.

Além do fator temperatura, os efeitos quânticos nucleares, que se relacionam ao movimento de ponto zero dos átomos de hidrogênio, podem ajudar o sistema a não ficar preso em uma armadilha de energia potencial. Para estudar esses fenômenos, os pesquisadores investigam o LaH usando métodos computacionais clássicos e quânticos. Eles descobrem que ambas as abordagens permitem observar uma transição do vínculo molecular para um comportamento atômico à medida que a pressão aumenta.

À medida que os cientistas empurram os limites da pressão, mudanças notáveis no comportamento da ligação ocorrem. Em pressões mais baixas, a ligação molecular é mais clara, mas à medida que a pressão sobe acima de 100 GPa, a estrutura adota uma forma muito mais simétrica enquanto mantém ligações transitórias dentro de grupos de átomos.

Através de modelagem, os pesquisadores notam diferenças nos cálculos de pressão ao usar métodos clássicos em comparação com métodos quânticos. As mudanças de pressão calculadas sugerem que modelos teóricos anteriores podem ter superestimado as verdadeiras pressões envolvidas na transformação de estados moleculares para uma fase supercondutora.

Essas descobertas enfatizam que o comportamento molecular compete com a supercondutividade no hidreto de lantânio. As fases moleculares podem ter energia mais baixa, mas também densidade e entropia mais baixas, o que ajuda a explicar por que os supercondutores de alta temperatura descobertos até agora necessitam de altas pressões.

A pesquisa mostra que entender a interação entre molecularização e supercondutividade é fundamental. Os efeitos da temperatura e da mecânica quântica sobre pressão e estrutura devem ser levados em conta para uma modelagem mais precisa. Essa área de pesquisa continua vibrante, com muitas descobertas ainda por vir sobre as condições sob as quais a supercondutividade pode surgir nesses materiais ricos em hidrogênio.

#Conclusão

Em conclusão, a luta entre supercondutividade e formação molecular no hidreto de lantânio destaca uma interação complexa de forças físicas e comportamento quântico. À medida que os pesquisadores continuam a investigar esse fenômeno, eles ganham insights não apenas sobre o hidreto de lantânio, mas também sobre o campo mais amplo dos supercondutores em alta pressão. A mensagem essencial é que entender as condições que favorecem a supercondutividade abrirá portas para novos materiais e aplicações no futuro.