Criado hidrogênio metálico

Cientistas da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, criaram uma amostra de metal de hidrogênio.

© R. Dias/I. F. Silvera (hidrogênio metálico)

Na imagem acima o hidrogênio aparece transparente (à esquerda), opaco (no centro) e reflexivo (à direita). Esta refletividade indica que o hidrogênio foi transformado em um metal, afirmam os pesquisadores.

O hidrogênio é o elemento mais simples da tabela periódica, com um próton e um elétron. Em condições normais esses átomos tendem a se organizar aos pares em um gás, que a baixas temperaturas se condensa em líquido e, em temperaturas ainda mais baixas, em sólido.

É a primeira vez que o hidrogênio metálico, previsto em teoria pela primeira vez há cerca de 80 anos, foi desenvolvido em laboratório. O hidrogênio sólido pode existir no núcleo de planetas gigantes, como Júpiter.

A primeira menção a ele foi feita em 1935 pelos cientistas Eugene Wigner e Hillard Bell Huntington, que sugeriram que, em uma pressão de 25 gigapascals (GPa), o hidrogênio sólido se transformaria em metal. Acredita-se  que a pressão do núcleo da Terra esteja entre 330 e 360 GPa.

Na época ainda não havia conhecimento suficiente do mundo quântico para criar estas condições. A produção de hidrogênio metálico tem sido um grande desafio para a física da matéria condensada.

Os pesquisadores Thomas D. Cabot, Isaac Silvera e Ranga Dias usaram dois tipos de diamantes sintéticos para encontrar o hidrogênio sólido. Eles poliram as superfícies dos diamantes até que elas não tivessem mais defeitos, os esquentaram para retirar resíduos internos e os cobriram com uma camada de óxido de alumínio, um composto que o hidrogênio não consegue filtrar.

Em seguida, o trio de Harvard foi comprimindo o hidrogênio sólido. No início do experimento, quando a pressão estava mais baixa, o elemento ficou transparente, conforme a pressão foi aumentando, ele ficou opaco e preto. Quando uma pressão de 495 GPa foi atingida, o hidrogênio ficou brilhante, completando sua transformação em metal, ainda não se sabe se foi em um estado sólido ou líquido. O físico Alexander Goncharov, do Carnegie Institution for Science, afirmou que o material brilhante pode ser, na verdade, o óxido de alumínio usado para recobrir as pontas dos diamantes, que poderia ter sido modificado pela alta pressão.

Na pressão de 495 GPa, o hidrogênio metálico possui uma refletividade tão elevada como 0,91. Os pesquisadores ajustaram a refletância usando um modelo de elétron livre de Drude para determinar a frequência de plasma de 32,5 ± 2,1 eV numa temperatura de 5,5 kelvin, com uma densidade de portadores de elétrons correspondente de 7,7 ± 1,1 × 10²³ partículas/cm³, consistente com as estimativas teóricas de densidade atômica.

Ainda há muito o que ser pesquisado, mas se o metal de hidrogênio tiver pelo menos metade das aplicações previstas em teoria, ele poderia revolucionar a tecnologia como a conhecemos hoje. O material por ser um supercondutor poderia trazer inovações em eletricidade, como a possibilidade de trens de alta velocidade funcionarem por levitação magnética.

O material poderia ser utilizado como propulsor, o que mudaria as viagens espaciais. "É necessário uma quantidade tremenda de energia para criar o metal de hidrogênio," explicou Isaac Silvera. "E se você o converter de volta para o hidrogênio molecular, toda a energia é liberada, o que poderia se transformar no tipo de propulsor mais potente já conhecido pelo homem."

Em termos de comparação, os propulsores utilizados hoje levam 450 segundos para serem acionados em um foguete; o propulsor de hidrogênio levaria 1,7 segundos para fazer a mesma coisa. Com isso, seria possível colocar foguetes em órbita em apenas um estágio em vez de dois. "Ele teria ainda cargas úteis maiores, o que seria muito importante," ressaltou Silvera.

Fonte: Science

Os buracos Kondo na supercondutividade

Pesquisadores usaram um composto de urânio, rutênio e silício (URu2Si2), que é conhecido como um "sistema de férmions pesados"  para obter efeitos sobre a supercondutividade, a capacidade de alguns materiais de transportar correntes elétricas sem resistência.

© Davis Group (efeitos dos buracos Kondo na supercondutividade)

Os resultados revelaram como a substituição de apenas alguns átomos pode causar perturbações generalizadas das delicadas interações que dão ao material suas propriedades únicas, incluindo a supercondutividade.

É um sistema onde os elétrons que trafegam através do material param periodicamente para interagir com os elétrons localizados nos átomos de urânio que compõem a estrutura do cristal.

Essas interações magnéticas desaceleram os elétrons, fazendo com que pareça que eles têm uma massa extra, mas também contribui para a supercondutividade do material.

Em 2010, Séamus Davis, físico do Laboratório Nacional Brookhaven, dos Estados Unidos, e um grupo de colaboradores visualizaram esses férmions pesados pela primeira vez, usando a técnica de obtenção de imagens espectroscópicas por microscopia de tunelamento (STM-SI), que mede o comprimento de onda dos elétrons do material em relação à sua energia.

A ideia deste novo estudo foi "destruir" o sistema de férmions pesados, substituindo o tório por alguns dos átomos de urânio. O tório, ao contrário do urânio, não é magnético, portanto, em teoria, os elétrons deveriam ser capazes de se mover livremente ao redor dos átomos de tório, em vez de parar para os breves encontros magnéticos que têm com cada átomo de urânio.

Estas áreas onde os elétrons deveriam fluir livremente são conhecidas como "buracos Kondo", uma homenagem ao físico Jun Kondō que descreveu o espalhamento dos elétrons condutores devido as impurezas magnéticas.

Os elétrons fluindo livremente podem auxiliar na corrente elétrica sem resistência, mas os buracos Kondo acabam se tornando bastante destrutivos para a supercondutividade.

Trabalhando com amostras de tório dopado, feitas pelo físico Graeme Luke, na Universidade McMaster, a equipe de Davis usou sua ferramenta STM-SI para visualizar o comportamento dos elétrons.

Foram identificados inicialmente os locais dos átomos de tório na rede, e consequentemente as funções de onda da mecânica quântica dos elétrons em torno desses locais.

As medições confirmaram várias das previsões teóricas, incluindo a ideia proposta no ano passado pelo físico Dirk Morr, da Universidade de Illinois, de que as ondas de elétrons iriam oscilar descontroladamente ao redor dos buracos Kondo.

Assim, destruindo os férmions pesados, que devem emparelhar-se para o material agir como um supercondutor, os buracos Kondo interrompem a supercondutividade do material.

A técnica de visualização também revelou como apenas alguns poucos buracos Kondo podem provocar uma destruição generalizada.

O que os cientistas descobriram ao estudar esse exótico sistema de férmions pesados pode também valer para o mecanismo de outros supercondutores que operam em temperaturas mais altas.

Fonte: Proceedings of the National Academy of Sciences