LK-99: a alegação de supercondutividade de 2023 e suas implicações para a computação

A tecnologia geralmente avança aos poucos, mas ocasionalmente surge um anúncio que, se confirmado, poderia representar uma grande mudança. Em julho de 2023, pesquisadores sul-coreanos apresentaram a alegação sobre o LK-99, descrito como um possível supercondutor à temperatura e pressão ambientes. Experimentos independentes posteriores não confirmaram essa propriedade. A seguir, examinamos o anúncio histórico e a importância que um material realmente dotado dessas características poderia ter.

Em 2023, os pesquisadores afirmavam ter sintetizado, com substâncias relativamente comuns, um material supercondutor nas duas condições abaixo:

• pressão ambiente
• temperatura ambiente

O LK-99 era um material de apatita de chumbo modificada com cobre. No preprint original, a equipe apresentou a seguinte alegação, não confirmada posteriormente por experimentos independentes:

Segundo os autores, um método químico havia permitido sintetizar o primeiro supercondutor à temperatura e pressão ambientes, ao qual deram o nome LK-99.

A seguir, explicamos os fundamentos da supercondutividade e suas aplicações possíveis. Elas dizem respeito a supercondutores reais, não a um avanço comprovado do LK-99.

O que são supercondutores?

Um supercondutor é um material cuja resistência elétrica desaparece no estado supercondutor, dentro de determinados limites de temperatura, campo magnético e corrente. Nessas condições, a corrente contínua pode atravessá-lo sem perdas resistivas. Isso não torna o sistema inteiro isento de perdas: resfriamento, conexões e correntes alternadas ainda podem consumir energia ou causar dissipação. Outra propriedade fundamental é a expulsão do campo magnético do interior do material, conhecida como efeito Meissner.

A supercondutividade é um fenômeno quântico que ocorre abaixo de uma temperatura crítica. Muitos materiais exigem temperaturas muito baixas. Os supercondutores de alta temperatura funcionam em temperaturas maiores que os convencionais, mas isso não significa temperatura ambiente. O zero absoluto é −273,15 °C, equivalente a −459,67 °F.

Bobinas supercondutoras podem produzir campos magnéticos intensos, úteis em equipamentos de ressonância magnética e em alguns trens de levitação magnética. Nem todos os sistemas maglev, porém, usam supercondutores.

O canal do YouTube, Techquickie, explica bem isso em um episódio passado de ‘Fast as Possible’.

Os supercondutores são divididos em dois tipos principais conforme sua resposta ao campo magnético:

1. Supercondutores Tipo‑I: Expulsam o campo magnético até um valor crítico, acima do qual perdem a supercondutividade. Exemplos incluem alumínio, mercúrio e chumbo.
2. Supercondutores Tipo‑II: Permitem que o fluxo magnético penetre na forma de vórtices entre dois campos críticos, mantendo propriedades supercondutoras. Muitos são adequados a campos intensos. Exemplos são nióbio-estanho (Nb3Sn) e o material cerâmico óxido de ítrio-bário-cobre (YBCO).

A classificação em tipos I e II não equivale à distinção entre baixa e alta temperatura crítica. O Nb3Sn, por exemplo, é um supercondutor de tipo II de baixa temperatura, enquanto o YBCO é de tipo II de alta temperatura. Mesmo os de alta temperatura precisam de resfriamento, mas já são empregados em determinadas aplicações práticas.

Por que um supercondutor à temperatura e pressão ambientes seria importante?

Um material realmente supercondutor nessas condições poderia ter consequências importantes, desde que também oferecesse capacidade de transportar corrente, tolerância a campos magnéticos, durabilidade e fabricação adequadas. Entre as possíveis aplicações estão as seguintes.

1. Transmissão de energia: Condutores supercondutores poderiam reduzir perdas resistivas e a necessidade de resfriamento, mas não tornariam a rede elétrica inteira completamente isenta de perdas.
2. Trens de levitação magnética: Um supercondutor à temperatura ambiente poderia simplificar os sistemas maglev que usam ímãs supercondutores. A levitação reduz o contato mecânico, mas não elimina a resistência do ar nem todo o consumo de energia.
3. Tecnologia médica: Equipamentos de ressonância magnética com ímãs supercondutores poderiam tornar-se mais simples de operar e manter se a necessidade de resfriamento fosse reduzida.
4. Computação quântica: Supercondutores são fundamentais nos computadores quânticos com qubits supercondutores, como os da IBM e do Google. Um material à temperatura ambiente poderia abrir novas possibilidades de projeto, mas não eliminaria automaticamente o resfriamento dos processadores: temperaturas extremamente baixas também reduzem o ruído térmico e ajudam a preservar os estados quânticos.
5. Armazenamento de energia: Sistemas de armazenamento magnético supercondutor (SMES) guardam energia no campo magnético de uma bobina supercondutora. Reduzir o resfriamento poderia torná-los mais práticos, embora o sistema completo não fosse totalmente isento de perdas.
6. Pesquisa científica: Muitos instrumentos e experimentos científicos (por exemplo, na física de partículas) poderiam ser tornados mais eficientes e mais fáceis de operar com supercondutores à temperatura ambiente.

Muitos equipamentos poderiam se beneficiar de um material adequado e utilizável na prática. A supercondutividade não elimina, por si só, todas as formas de atrito mecânico nem melhora automaticamente qualquer dispositivo elétrico.

A importância científica e tecnológica de uma descoberta dessas seria grande, mas dependeria de provas confiáveis e aplicações viáveis, não apenas de um anúncio chamativo.

Aplicações possíveis e a alegação original sobre o LK-99

A equipe do LK-99 propôs diversas aplicações em 2023. O texto abaixo resume sua posição naquela época; não é uma conclusão verificada independentemente.

Os autores acreditavam que o material poderia ajudar a compreender a supercondutividade à temperatura ambiente e ser usado em ímãs, motores, cabos, trens de levitação, transmissão elétrica, qubits e antenas terahertz. Consideravam a suposta descoberta um possível acontecimento histórico. Os experimentos independentes, contudo, não confirmaram que o LK-99 fosse um supercondutor à temperatura ambiente.

Um verdadeiro supercondutor à temperatura e pressão ambientes poderia beneficiar muitos setores. A computação seria uma possível aplicação, mas as vantagens não poderiam ser deduzidas apenas da supercondutividade.

Mineração de Bitcoin, smartphones e centros de dados poderiam se beneficiar de componentes menores, mais eficientes ou mais rápidos. Soluções supercondutoras poderiam reduzir certas perdas e a geração de calor. Os efeitos sobre latência, velocidade de processamento e tamanho dependeriam da arquitetura completa; a alegação sobre o LK-99 não demonstrava esses ganhos.

A verificação independente do LK-99

Se a propriedade anunciada tivesse sido confirmada, as consequências poderiam ter sido significativas. Na época da publicação, porém, faltava confirmação independente, e o texto no arXiv era um preprint.

Uma alegação extraordinária exigia provas sólidas e resultados reproduzíveis em experimentos controlados. A revisão por pares e a replicação independente são processos diferentes: os revisores avaliam o estudo, mas geralmente não repetem todos os experimentos. A revisão contribui para os seguintes aspectos.

1. Controle de qualidade: A função mais imediata da revisão por pares é garantir a qualidade dos artigos publicados em revistas científicas.  Os revisores avaliam criticamente a metodologia, estatísticas e apresentação dos resultados de um estudo para assegurar que as conclusões são suportadas pelos dados.
2. Avaliação de métodos e conclusões: Os revisores examinam se os métodos são adequados, se foram aplicados corretamente e se os dados e sua interpretação sustentam as conclusões. Isso não equivale à replicação experimental independente nem garante que os resultados estejam corretos.
3. Práticas antiéticas: A revisão pode revelar plágio, inconsistências ou indícios de possíveis abusos. Não garante, porém, a identificação de toda falsificação ou fraude.
4. Padronização: Ao impor convenções e expectativas científicas padrão, a revisão por pares promove consistência e coesão dentro de um campo científico.
5. Credibilidade: A revisão por pares adiciona credibilidade a um artigo de pesquisa.  Outros pesquisadores, bem como o público em geral, costumam considerar trabalhos revisados por pares mais confiáveis porque passaram por esse nível de escrutínio.

Cada um desses pontos é importante porque, como um todo, facilitam o avanço verificável da ciência.  Trabalhos revisados por pares fornecem aos cientistas ao redor do mundo uma base sobre a qual seu próximo experimento ou invenção pode ser desenvolvido.

A revisão por pares é importante para a qualidade da literatura científica, mas pode deixar passar erros ou abusos e sofrer influência de vieses. Dados abertos, replicações independentes e estudos posteriores complementam esse processo.

O que mostraram os experimentos posteriores?

A propriedade supercondutora do LK-99 anunciada em 2023 não foi confirmada por experimentos independentes. Um estudo de síntese e caracterização publicado em agosto daquele ano não observou sinais de supercondutividade. Outra pesquisa encontrou comportamento isolante mesmo em amostras que levitavam parcialmente, mostrando que a resposta magnética não bastava como prova. Uma transição de fase de impurezas de sulfeto de cobre também podia explicar certas mudanças de resistividade e capacidade térmica relatadas. Portanto, o LK-99 não deve ser apresentado como um supercondutor à temperatura ambiente comprovado. A busca por materiais realmente dotados dessa propriedade e por suas possíveis aplicações continua.