Supercondutores: uma desordem incrivelmente ordenada
Descoberta de um efeito surpreendente: os átomos estão dispostos de forma completamente desordenada, mas produzem ordem magnética
A supercondutividade é um dos temas centrais da moderna ciência dos materiais: certos materiais podem conduzir corrente eléctrica sem qualquer resistência - pelo menos abaixo de uma determinada temperatura. No entanto, a forma de produzir materiais que continuem a exibir esta propriedade a temperaturas mais elevadas continua a ser um problema por resolver.
Luka Akšamović e Priyanka Reddy, membros da equipa de Neven Barišić
TU Wien
Atualmente, investigadores da TU Wien descobriram uma ligação surpreendente entre duas classes de supercondutores bastante diferentes - os chamados "cupratos" e "pnictídeos": o material murunskite combina propriedades de ambos de forma inesperada. O que é espantoso é que, apesar de os átomos cruciais da murunskite estarem dispostos de forma completamente aleatória e irregular, as propriedades magnéticas são ordenadas, mesmo a temperaturas surpreendentemente elevadas, e assemelham-se às dos pnictídeos de ferro. Analogamente, nos cupratos, surge um tipo particular de metalicidade - que poderia estar associado apenas a sistemas excecionalmente limpos - apesar de uma grande desordem local, juntamente com a supercondutividade a alta temperatura. Os "culpados" nos cupratos e na murunskite são as orbitais abertas dos ligandos.
Dois mundos - e um no meio
Os materiais que exibem propriedades supercondutoras mesmo a temperaturas relativamente elevadas - conhecidos como supercondutores de alta temperatura - devem normalmente esta propriedade à complexa interação física quântica entre diferentes tipos de átomos. É necessário um grande esforço para simular os efeitos destes materiais num computador e compreendê-los teoricamente.
No entanto, nas últimas décadas, foram descobertas várias classes de materiais que se revelaram promissoras para a investigação da supercondutividade, como a classe dos cupratos. Estes são compostos cerâmicos que contêm átomos de cobre, nos quais a supercondutividade emerge de um estado isolante após dopagem com portadores de carga. Uma classe completamente diferente de supercondutores são os pnictídeos - materiais metálicos com electrões móveis.
Os investigadores da TU Wien analisaram agora mais de perto outro material: a murunskite, um cristal composto por potássio, ferro, cobre e enxofre. Embora não seja um supercondutor, está intimamente relacionado com os materiais supercondutores. "A murunskite é, de certa forma, o elo que faltava entre estas duas classes de materiais", diz o Prof. Neven Barišić do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien. "Tem uma estrutura cristalina como os pnictídeos, mas propriedades electrónicas semelhantes às dos cupratos. As suas propriedades magnéticas são novas e surpreendentes, embora façam lembrar tanto os cupratos como os pnictídeos."
Desordem geométrica, ordem magnética
Existem muitos materiais que exibem efeitos magnéticos. Isto significa que os átomos se alinham magneticamente da mesma forma - como muitas pequenas agulhas de bússola, todas apontando na mesma direção. Normalmente, os átomos também devem estar dispostos geometricamente de forma regular. Esta é a forma universalmente aceite de garantir que todos se influenciam uns aos outros da mesma forma, para que a ordem magnética se possa desenvolver a longas distâncias.
Surpreendentemente, porém, não é esse o caso da Murunskite: Neste material, os átomos não estão dispostos regularmente", diz Priyanka Reddy. Em certos pontos da rede cristalina, pode haver um átomo de cobre ou um átomo de ferro. Os átomos de cobre não têm qualquer efeito magnético, mas os átomos de ferro têm-no".
Não existe um padrão geométrico segundo o qual os átomos de cobre e de ferro se dispõem; estão completamente misturados ao acaso. No entanto, como a equipa de investigação conseguiu agora demonstrar, a ordem magnética surge a uma temperatura de 176 graus Celsius negativos (97K): os átomos de ferro alinham-se magneticamente nos mesmos padrões, apesar de estarem a diferentes distâncias uns dos outros.
"Neste caso, estamos a falar de ordem emergente", explica Davor Tolj. "Embora os átomos não sigam quaisquer regras geométricas, formam grupos magneticamente ordenados - ilhas ordenadas num mar de átomos desordenados que, de certa forma, concordam com uma direção magnética comum". Estes aglomerados ligam-se em rede com outros aglomerados, de modo que, apesar da falta de ordem geométrica, emerge uma ordem magnética que permeia todo o cristal.
O resultado mostra que a ordem magnética não tem necessariamente de se basear numa ordem atómica perfeita. Isto abre novos caminhos na investigação de materiais e dispositivos, em relação aos supercondutores e não só.
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Publicação original
D. Tolj et al., High-Entropy Magnetsm of Murunskite, Adv. Funct. Mater. 2025, 2500099 (2025)
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