A eletricidade circula nos nossos cabos, mas uma parte da energia perde-se sob a forma de calor. Essas perdas poderiam ser evitadas graças aos supercondutores: materiais capazes de transportar corrente sem qualquer resistência.
Investigadores da Universidade Penn State desenvolveram um novo método para prever quais os materiais que poderiam tornar-se supercondutores, abrindo caminho para aplicações que mudariam profundamente as nossas tecnologias.
Visualização prevista por DFT da distribuição eletrónica num supercondutor de chumbo, com estruturas atómicas específicas formadas.
Crédito: Superconductor Science and Technology (2025)
A supercondutividade é explicada há muito pela teoria BCS, segundo a qual os eletrões se associam em pares (chamados "pares de Cooper") a temperaturas muito baixas para circular sem obstáculos. Mas este modelo só funciona em condições de frio extremo, próximas do zero absoluto (-273 °C), o que limita a sua utilização prática. A equipa de Zi-Kui Liu combinou então duas ferramentas teóricas: a teoria do funcional da densidade (DFT), que simula o comportamento dos eletrões, e a teoria zentropy, que descreve como um material passa do estado supercondutor para o estado normal.
A DFT permite prever as propriedades eletrónicas de um material por cálculo, sem necessidade de experiências dispendiosas. Ao observar a densidade eletrónica, os investigadores podem detetar configurações que se assemelham às dos pares de Cooper, mas a temperaturas mais elevadas. Graças a esta abordagem, identificaram comportamentos supercondutores em metais como o cobre, a prata e o ouro, que até agora não eram considerados como tal.
A teoria zentropy, por sua vez, combina a física quântica e a mecânica estatística para compreender como um material perde a sua supercondutividade de acordo com a temperatura. Permite nomeadamente estimar a temperatura crítica de transição, um parâmetro essencial se quisermos utilizar estes materiais no dia a dia. O objetivo é agora aplicar este método a uma imensa base de dados de materiais de modo a identificar novos candidatos promissores.
As próximas etapas incluem a previsão do comportamento dos materiais sob diferentes pressões e o seu teste em laboratório. Se estas previsões se confirmarem, poderão levar à descoberta de supercondutores que funcionam a alta temperatura, ou mesmo à temperatura ambiente. Um tal avanço transformaria a maneira como produzimos, transportamos e utilizamos a eletricidade.
Zi-Kui Liu resume o desafio: não se trata apenas de explicar o que já conhecemos, mas de construir um quadro teórico para descobrir o desconhecido. Ao ligar várias teorias até agora separadas, a sua equipa abre novas perspetivas para uma energia mais eficiente e sustentável.
Teoria BCS e pares de Cooper
A teoria BCS, proposta por John Bardeen, Leon Cooper e John Schrieffer, descreve a supercondutividade a baixa temperatura. Explica que os eletrões não circulam sozinhos mas em casais, os "pares de Cooper". Estes pares deslocam-se em conjunto na rede cristalina, sem colidir com os átomos, o que suprime a resistência elétrica.
Mas estes pares são frágeis e quebram-se logo que a temperatura aumenta. É por isso que os supercondutores clássicos só funcionam a temperaturas muito baixas, obtidas com dispendiosos sistemas de arrefecimento. Este modelo não consegue explicar a supercondutividade dita "não convencional", descoberta em famílias de materiais como os cupratos.
Teoria do funcional da densidade (DFT)
A DFT é um método de cálculo em mecânica quântica que permite prever as propriedades de um sistema baseando-se na densidade eletrónica em vez de em equações complexas de funções de onda.
Desenvolvida nos anos 1960, tornou-se uma ferramenta indispensável para a química e a ciência dos materiais, pois permite previsões fiáveis com recursos computacionais razoáveis.
No caso dos supercondutores, a DFT não descreve diretamente a formação dos pares de Cooper, mas pode revelar indícios de comportamentos favoráveis à supercondutividade. Ao associá-la a outros modelos como a zentropy, permite explorar mais rapidamente fenómenos complexos e identificar materiais potencialmente revolucionários.