Quebra-cabeça do LK-99 Parece Resolvido

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Um recente estudo inovador, agora publicado na prestigiada revista científica Nature, parece ter desvendado o enigma do LK-99. Este trabalho de detective científico desenterrou evidências sugerindo que o material não é um supercondutor, lançando luz sobre suas verdadeiras propriedades.

A conclusão frustra as esperanças de que o LK-99 – um composto de cobre, chumbo, fósforo e oxigénio – possa se tornar o primeiro supercondutor que funcione em temperatura ambiente e pressão ambiente. Em vez disso, os estudos indicaram que as impurezas no material, especialmente o sulfeto de cobre, foram responsáveis por quedas acentuadas em sua resistividade eléctrica e uma resposta de levitação parcial a um ímã – propriedades semelhantes às exibidas pelos supercondutores.

“Eu acredito que as coisas estão decididamente esclarecidas neste ponto”, comenta Inna Vishik, uma experimentalista de matéria condensada da Universidade da Califórnia, Davis.

Supercondutividade Alegada do LK-99 Causa Sensação Online, Mas Esforços de Replicação Ficam Aquém

A saga do LK-99 começou no final de Julho, quando uma equipe liderada por Sukbae Lee e Ji-Hoon Kim no Quantum Energy Research Center, uma Start-Up em Seul, publicou preprints afirmando que o LK-99 é um supercondutor à pressão normal e temperaturas de pelo menos 127°C (400 kelvin). Todos os supercondutores previamente confirmados funcionam apenas em temperaturas extremamente baixas e pressões extremas.

Essa afirmação extraordinária rapidamente chamou a atenção do público e de entusiastas da ciência, levando alguns pesquisadores a tentar replicar o LK-99. As tentativas iniciais não produziram sinais de supercondutividade à temperatura ambiente, embora fossem inconclusivas. Agora, após inúmeros esforços de replicação, muitos especialistas estão afirmando com confiança que as evidências sugerem que o LK-99 não é um supercondutor de temperatura ambiente. (A equipe de Lee e Kim não respondeu ao pedido de comentário da revista Nature.)

Acumulando Evidências

A alegação da equipe sul-coreana baseou-se em duas propriedades do LK-99: levitação sobre um ímã e quedas acentuadas na resistividade. No entanto, equipes separadas nas Universidades de Pequim e na Academia Chinesa de Ciências (CAS), ambas em Pequim, encontraram explicações banais para esses fenómenos.

Outro estudo realizado por pesquisadores dos Estados Unidos e da Europa combinou evidências experimentais e teóricas para demonstrar como a estrutura do LK-99 inviabiliza a supercondutividade. Experimentadores adicionais sintetizaram e estudaram amostras puras do LK-99, afastando dúvidas sobre a estrutura do material e confirmando que ele não é um supercondutor, mas um isolante.

Confirmação adicional viria da equipe sul-coreana compartilhando suas amostras, diz Michael Fuhrer, um físico da Universidade Monash em Melbourne, Austrália. “O ónus está sobre eles para convencer a todos”, afirma.

Talvez a evidência mais convincente da supercondutividade do LK-99 tenha sido um vídeo feito pela equipe sul-coreana mostrando uma amostra em forma de moeda de material prateado flutuando sobre um ímã. Os pesquisadores afirmaram que a amostra estava levitando devido ao efeito Meissner – uma característica da supercondutividade em que um material expele campos magnéticos. Vários vídeos não confirmados de LK-99 flutuando posteriormente circularam nas redes sociais, mas nenhum dos pesquisadores que inicialmente tentaram replicar as descobertas observou qualquer levitação.

Levitação Incompleta

Derrick VanGennep, um ex-pesquisador de matéria condensada de Harvard que agora trabalha em finanças, ficou intrigado com o LK-99. Ele construiu uma pelota feita de aparas de grafite comprimidas com limalhas de ferro aderidas a ela, ou seja, uma “pelota” é basicamente uma pequena bolinha. Neste caso, essa bolinha foi feita apertando pedaços pequenos de um material chamado grafite, que é parecido com o material de lápis, e também pedaços pequenos de ferro que estão presos nela. É como se tivessem juntado esses pedaços apertando-os para formar uma única bola. Isso foi usado em um experimento para testar algo.. Um vídeo feito por VanGennep demonstrou que seu disco não supercondutor, mas ferromagnético, imitava o comportamento do LK-

No dia  7 de Agosto, a equipe da Universidade de Pequim relatou que essa “semilevitação” apareceu em suas próprias amostras de LK-99 devido ao ferromagnetismo. “É exactamente como um experimento de limalha de ferro”, afirma Yuan Li, um físico de matéria condensada. A pelota experimenta uma força de elevação, mas não é suficiente para levitar – apenas para equilibrar-se em uma das extremidades.

Amostras Impuras

A equipe sul-coreana observou uma temperatura específica na qual o LK-99 mostrou uma queda de dez vezes em sua resistividade, de cerca de 0,02 ohm-centímetros para 0,002 Ω cm. “Eles foram muito precisos: 104,8 °C”, diz Prashant Jain, um químico da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. “Eu fiquei tipo, espere um minuto, conheço essa temperatura.”

A reação que sintetiza o LK-99 usa uma receita desequilibrada. Para cada peça de cristal de fosfato de chumbo dopado com cobre – LK-99 puro – são produzidas 17 partes de cobre e 5 partes de enxofre. Esses excedentes resultam em numerosas impurezas – especialmente o sulfeto de cobre (Cu₂S), que a equipe sul-coreana relatou ter encontrado em sua amostra.

Jain, especialista em sulfeto de cobre, reconhece 104 °C como a temperatura na qual o Cu₂S passa por uma transição de fase. Abaixo dessa temperatura, a resistividade do Cu₂S exposto ao ar cai drasticamente – um sinal quase idêntico à suposta transição de fase supercondutora do LK-99. “Eu quase não conseguia acreditar que eles não perceberam isso”, diz Jain, que publicou um pré-print sobre o importante efeito.

Em 8 de agosto, a equipe do CAS relatou sobre os efeitos das impurezas Cu₂S no LK-99. “Diferentes conteúdos de Cu₂S podem ser sintetizados usando diferentes processos”, diz Yuan Li, um físico do CAS. Os pesquisadores testaram duas amostras – a primeira foi aquecida no vácuo, resultando em 5% de Cu₂S, e a segunda no ar, obtendo 70% de Cu₂S.

A resistividade da primeira amostra aumentou suavemente à medida que esfriava, assim como as amostras de outras tentativas de replicação. No entanto, a resistividade da segunda amostra caiu perto de 112 °C (385 K) – correspondendo de perto às observações da equipe sul-coreana.

“Naquele momento, eu pensei: ‘Bem, obviamente, foi isso que os fez acreditar que era um supercondutor'”, diz Fuhrer. “O último prego no caixão foi essa questão do sulfeto de cobre.”

**Claro Como Cristal**

Com explicações convincentes para a queda de resistividade e a semilevitação, muitos na comunidade científica agora estão convencidos de que o LK-99 não é um supercondutor à temperatura ambiente. Mas os mistérios persistiam – ou seja, quais eram as propriedades reais do material?

Tentativas iniciais de teorização usando uma abordagem chamada teoria funcional da densidade (DFT) para prever a estrutura do LK-99 sugeriram assinaturas eletrônicas interessantes conhecidas como bandas planas. Essas são regiões onde os elétrons se movem lentamente e podem estar fortemente correlacionados. Em alguns casos, esse comportamento leva à supercondutividade. No entanto, esses cálculos eram baseados em suposições não verificadas sobre a estrutura do LK-99.

Para entender melhor o material, o grupo americano-europeu realizou imagens de raios-X precisas de suas amostras para calcular a estrutura do LK-99. Essas imagens permitiram à equipe fazer cálculos rigorosos que esclareceram a situação das bandas planas, mostrando que elas não eram propícias à supercondutividade. Em vez disso

, as bandas planas no LK-99 surgiam de elétrons fortemente localizados, que não podem “saltar” da maneira que um supercondutor exige.

Em 14 de agosto, uma equipe separada do Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado Sólido em Stuttgart, Alemanha, relatou ter sintetizado cristais puros únicos de LK-99. Diferentemente das tentativas anteriores, que dependiam de cadinhos, essa equipe usou uma técnica chamada crescimento de cristais por zona flutuante. Isso permitiu que os pesquisadores evitassem a introdução de enxofre na reação, eliminando assim as impurezas de Cu₂S.

O resultado foi um cristal roxo transparente – LK-99 puro, ou Pb₈,₈Cu₁,₂P₆O₂₅. Separado das impurezas, o LK-99 não é um supercondutor, mas um isolante com uma resistência de milhões de ohms – muito alta para ser medida por um teste de condutividade padrão. Ele exibe um pouco de ferromagnetismo e diamagnetismo, mas não o suficiente para levitação parcial. “Portanto, descartamos a presença de supercondutividade”, concluiu a equipe.

A equipe sugere que as pistas de supercondutividade observadas no LK-99 foram causadas por impurezas de Cu₂S, que estão ausentes em seu cristal. “Esta história ilustra exatamente por que precisamos de monocristais”, diz Pascal Puphal, um especialista em crescimento de cristais e físico do Max Planck que liderou o estudo. “Quando temos monocristais, podemos estudar claramente as propriedades intrínsecas de um sistema.”

**Lições Aprendidas**

Muitos pesquisadores estão refletindo sobre o que aprenderam com a sensação de supercondutividade do verão.

Para Leslie Schoop, uma química de estado sólido da Universidade de Princeton e coautora do estudo das bandas planas, a lição sobre cálculos precipitados é clara. “Mesmo antes do LK-99, tenho dado palestras sobre como você precisa ter cuidado com a DFT, e agora tenho a melhor história para minha próxima escola de verão”, diz ela.

Jain ressalta a importância de dados antigos, muitas vezes negligenciados – as medições cruciais nas quais ele se baseou para a resistividade do Cu₂S foram publicadas em 1951.

Embora alguns observadores tenham apontado para a saga LK-99 como um exemplo de reprodutibilidade na ciência, outros dizem que envolveu uma resolução extraordinariamente rápida de um quebra-cabeça de alto perfil. “Frequentemente, essas coisas morrem muito lentamente, onde são apenas rumores e ninguém pode replicá-las”, diz Fuhrer.

Quando os supercondutores de óxido de cobre foram descobertos em 1986, os pesquisadores começaram a explorar suas propriedades. No entanto, quase quatro décadas depois, ainda há debate sobre o mecanismo supercondutor desses materiais, afirma Vishik. Os esforços para explicar o LK-99 surgiram rapidamente. “O trabalho de detetive envolvendo todas as peças da observação original – eu acho isso realmente fascinante”, comenta. “E é relativamente raro.”

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