SÓDIO E HIDROGÊNIO, UM SUPERCONDUTOR NO PAPEL

Um supercondutor conduz corrente elétrica sem nenhuma resistência, abaixo de uma temperatura crítica, Tc. Nos materiais ricos em hidrogênio, os recordes são espetaculares: H₃S e LaH₁₀ são supercondutores acima de 200 kelvin. Mas só o são quando comprimidos a cerca de um megabar, aproximadamente um milhão de vezes a pressão atmosférica. O desafio é obter o mesmo desempenho a uma pressão menor.

O hidrogênio ajuda porque é leve: seus átomos vibram em frequências muito altas, e essas vibrações podem unir os elétrons nos pares que transportam a supercorrente. Em muitos dos melhores hidretos, o hidrogênio já não forma moléculas de H₂. Compostos em que o hidrogênio continua em pares foram por muito tempo considerados maus candidatos, porque a forte ligação dentro de cada par tira seus elétrons do jogo.

Um composto encontrado por busca

Tianran Chen, da Universidade do Tennessee, e Taner Yildirim, do NIST Center for Neutron Research, já haviam destacado o hexa-hidreto de sódio, NaH6, numa busca computacional entre mais de 100.000 estruturas ricas em hidrogênio. Um estudo independente também havia previsto para ele uma Tc alta. Aqui eles o examinaram a fundo — inteiramente por cálculo:

um algoritmo evolutivo para encontrar os arranjos cristalinos mais favoráveis em cada pressão;
cálculos de mecânica quântica dos elétrons, das vibrações atômicas e de seu acoplamento, que dão a Tc por meio de uma fórmula padrão;
dinâmica molecular a 300 kelvin, para verificar se as estruturas se mantêm quando os átomos se agitam.

Nenhuma amostra foi sintetizada ou medida.

Dois cristais, dois comportamentos

Os cálculos revelam uma paisagem povoada: a 50 gigapascals, 15 estruturas diferentes são estáveis, a maioria delas parentes próximas de duas formas principais. Em ambas, o hidrogênio fica em pares ligeiramente esticados.

A forma cúbica seria supercondutora até 230 kelvin a 50 gigapascals — cerca de −43 °C a meio megabar — e ainda a 215 kelvin a 200 gigapascals.
A forma romboédrica continua estável até 10 gigapascals, onde sua Tc prevista é de 34 kelvin. Comprimida, a Tc sobe depressa: 99 kelvin a 50 gigapascals, 157 a 90, cerca de 1,6 kelvin por gigapascal.

Há uma ressalva que os autores deixam clara. A 50 gigapascals, a forma cúbica de 230 kelvin não é o arranjo mais estável: ela fica um pouco acima da energia necessária para se decompor em hidreto de sódio mais simples e hidrogênio. Ela só se torna estável contra essa decomposição acima de 60 gigapascals, e as duas formas trocam de lugar perto de 114 gigapascals. Na dinâmica molecular a 300 kelvin, a forma cúbica permanece intacta — ao longo de alguns trilionésimos de segundo.

Hidrogênio em pares que ajuda

A descoberta mais incomum é o mecanismo. Os pares não bloqueiam a supercondutividade. Toda vibração que se acopla fortemente aos elétrons é uma que apareceria na espectroscopia Raman, uma técnica comum de laboratório; as outras quase não se acoplam. Verificando 102 outros hidretos a 200 gigapascals, os autores encontraram o mesmo padrão: as vibrações ativas em Raman se acoplam em média cerca de 40 vezes mais fortemente do que as demais.

Na forma romboédrica, a pressão inclina os pares de hidrogênio, de 4 graus a 10 gigapascals até 21 graus a 90. À medida que eles se inclinam, as vibrações-chave se acoplam mais fortemente — acompanhando a subida da Tc, enquanto a estrutura eletrônica quase não muda. Um modelo geométrico simples reproduz essa tendência, embora os autores frisem que se trata de uma interpretação, não de uma prova.

Da tela ao laboratório

São previsões. As temperaturas calculadas dependem de um parâmetro padrão, mas ajustável, e 50 gigapascals ainda equivalem a cerca de meio milhão de atmosferas. Se confirmado, o NaH6 mostraria que a orientação dos pares de hidrogênio é um novo botão de ajuste para projetar supercondutores à base de hidretos. A próxima palavra é dos experimentadores.