O que é a supercondutividade?
A supercondutividade é uma propriedade física de característica intrínseca de certos materiais que, quando resfriados a temperaturas extremamente baixas, tendem a conduzir corrente elétrica sem resistência nem perdas, ocasionando campos de fluxo magnéticos que saem do metal. Sendo assim, um composto de hidrogênio, magnésio e lítio pode conduzir eletricidade sem resistência a temperaturas de até 200 graus Celsius, se for comprimido a uma pressão extremamente alta, quase 2,5 milhões de vezes a pressão da atmosfera da Terra.
Esta propriedade foi descoberta em Abril de 1911, pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes em seu laboratório em Leiden. Guiado por seu brilhante trabalho na fabricação do hélio líquido, o que possibilitou o avanço necessário para alcançar temperaturas muito baixas, da ordem de 1 K. A supercondutividade foi pela primeira vez notada enquanto Onnes observava o comportamento do mercúrio quando resfriado a 4 K (-452,47 °F ou -269,15 °C).
Assim como o ferromagnetismo e as linhas espectrais atômicas, a supercondutividade pode ser entendida como um fenômeno quântico microscópico, ou seja, este estado pode ser descrito por uma única função de onda. Caracteriza-se também por um fenômeno chamado de Efeito Meissner-Ochsenfeld, que é a ejeção de um campo magnético suficientemente forte do interior do material que impede que campos externos penetrem no supercondutor, às vezes confundido como um tipo de diamagnetismo perfeito, assim como as transições no estado supercondutor. A ocorrência do Efeito Meissner indica que a supercondutividade não pode ser entendida simplesmente como a idealização de um condutor perfeito como na física clássica.
Para vários metais, a resistência elétrica aumenta quase que linearmente com a temperatura, mas há sempre uma região não-linear em temperaturas muito baixas. Essa fuga da linearidade que é apresentada em temperaturas baixas, acontece pela ocorrência de impurezas e irregularidades nesse metal (mesmo próximo ao zero absoluto ainda existe alguma resistência elétrica). Mas num supercondutor a resistência cai abruptamente a zero quando o material é resfriado abaixo de sua temperatura crítica. A corrente elétrica fluindo em um circuito de fios supercondutores pode persistir indefinidamente sem qualquer fonte de energia.
Um dos fatores limitantes para aplicação e pesquisa dos supercondutores no passado foi a necessidade de atingir baixíssimas temperaturas, o que inviabilizou o seu uso, em larga escala. Mas em 1986 foram descobertos alguns materiais cerâmicos chamados de cupratos com estrutura de perovskitas que exibiam temperaturas críticas próximas de 90 K (-183,15 °C), que é uma temperatura relativamente alta a se atingir, sendo denominado então como um supercondutor de alta-temperatura (já que supercondutores convencionais teoricamente não a alcançariam). Os supercondutores de altas-temperaturas renovaram o interesse no estudo e na possível comercialização em larga escala, viabilizando novas perspectivas de melhoria nos materiais existentes e na evolução da engenharia sob a criação de novos materiais supercondutores próximos a temperatura ambiente.
Os supercondutores empregam a produção de super imãs, que são implantados em unidades de ressonância magnética , produzindo imagens de órgãos em alta qualidade sem a necessidade de expor pessoas a radiação nociva. Por apresentarem resistência nula, são de grande interesse para aparelhos elétricos, onde não ocorre a perda de energia, um grande impedimento é que este material tem que ser mantido a temperaturas baixas. Sendo assim, caso algum dia ocorra a descoberta de um supercondutor a temperatura ambiente, seu impacto na tecnologia será enorme.
Classificação
Não existe um único método ou padrão para classificar supercondutores. Os mais comuns são:
Quanto às suas propriedades físicas: eles podem ser do Tipo I, que tem um único campo crítico acima do qual toda a supercondutividade é perdida e abaixo do qual o campo magnético é completamente excluído do supercondutor. Ou Tipo II, que possui dois campos críticos entre os quais permite que o campo magnético penetre parcialmente pelo ponto isolado. Esses pontos são chamados de redemoinhos. Além disso, em supercondutores multicomponentes, é possível ter uma combinação dos dois comportamentos. Neste caso, o supercondutor é do tipo 1.5.
Pela teoria que o explica: podem ser tradicionais (se puderem ser explicadas pela teoria BCS) ou não convencionais;
Por causa de sua temperatura crítica: eles podem ser de alta temperatura (geralmente atingindo um estado supercondutor em temperaturas superiores a 30K) ou baixa temperatura (geralmente exigindo temperaturas abaixo de 30K para atingir um estado supercondutor);
Por material: Podem ser elementos químicos (como mercúrio e chumbo), ligas (como titânio-nióbio ou germânio-nióbio), cerâmicas (como YBCO ou diboreto de magnésio) e até supercondutores orgânicos, como fulerenos e nanotubos de carbono. carbono.
A história da supercondutividade
Heike Kamerlingh Onnes e van der Waals
O século 19 viu um tremendo progresso na refrigeração criogênica. A supercondutividade foi descrita pela primeira vez pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes em 1911, e a maioria de suas contribuições científicas foram no campo da refrigeração criogênica. Por volta de 1908, em seu laboratório em Leiden, conseguiu liquefazer o hélio resfriando algumas amostras a uma temperatura de 1 K. Onnes produziu apenas alguns milímetros cúbicos de hélio líquido na época, mas este é um marco para futuras explorações na região europeia. Temperaturas que nunca foram estudadas antes. O hélio líquido tem potencial para atingir temperaturas próximas ao zero absoluto, a temperatura mais baixa possível.
Já em 1911, Onnes começou a estudar as propriedades elétricas dos metais em temperaturas extremamente frias. Sabe-se há anos que a resistência dos metais cai quando resfriados abaixo da temperatura ambiente, mas não se sabe até que ponto a resistência cai com a temperatura. Alguns cientistas, como Lord Kelvin, acreditam que à medida que a temperatura se aproxima do zero absoluto, o fluxo de elétrons em um condutor pára completamente. Outros cientistas, incluindo o próprio Onnes, pensaram que a resistência se dissiparia. Muitos também sugeriram que a resistência diminuiria constantemente em favor de uma melhor condução.
Em temperaturas muito baixas, os cientistas perceberam que o comportamento do material se estabilizava e a resistência realmente desaparecia. Então, o grupo de Onnes tentou passar uma corrente elétrica através de uma amostra muito pura de mercúrio na forma de um fio e medir sua resistência em função da temperatura. A 4,2 K, a resistência simplesmente desapareceu e, para a surpresa dos cientistas, havia corrente fluindo através do fio de mercúrio e nada a impedia – a resistência era zero. Segundo Onnes, “o mercúrio entrou em um novo estado que, em virtude de suas extraordinárias propriedades elétricas, deveria ser chamado de estado supercondutor”. em supercondutividade abre a porta.
A importância desta descoberta tem sido reconhecida na comunidade científica pelo seu potencial económico e comercial. Porque teoricamente, em um condutor elétrico sem resistência, ele pode transportar corrente sem perdas, independente da distância a ser percorrida. O grupo de Onnes descobriu que, mesmo anos após a conexão, o fio supercondutor através do qual a corrente “loop” viaja não mostrava perda de fluxo e podia permanecer ativo por um período incalculável de tempo, um fenômeno conhecido como corrente persistente. Por seus esforços, Onnes recebeu o Prêmio Nobel em 1913.
Em 1933, os cientistas Walther Meissner e Robert Ochsenfeld concluíram que os supercondutores não eram apenas condutores perfeitos de eletricidade, eles também descobriram um magnetismo intrínseco interessante nos supercondutores, que de alguma forma exclui o campo magnético externo. Um supercondutor não permite que um campo magnético entre em seu interior, o que faz com que a corrente que flui crie um campo magnético dentro do supercondutor para equilibrar o campo magnético que antes deveria penetrar no material.
Esse efeito, chamado de efeito Meissner, é muito popular em uma de suas aplicações, usada para demonstrar a supercondutividade, chamada de levitação magnética. O efeito Meissner só ocorre quando o campo magnético externo é pequeno o suficiente, pois se o campo magnético começar a aumentar, ele penetra no interior do material, então o material perde sua supercondutividade.
Em 1950, a teoria fenomenológica de supercondutividade de Ginzburg-Landau combinou a bem estabelecida teoria de transição de fase de segunda ordem de Landau com a equação de onda de Schrödinger e explicou com sucesso as propriedades macroscópicas dos supercondutores. Em particular, outro cientista, Alexei Abrikosov, mostrou que a teoria de Ginzburg-Landau prevê que os supercondutores se dividem em dois grupos distintos, tipo I e tipo II. Abrikosov e Ginzburg ganharam o Prêmio Nobel de 2003 por seu trabalho, enquanto Landau já ganhou o Prêmio Nobel de 1962 por outros trabalhos.
Foi somente em 1950 que Maxwell e Reynolds descobriram que a temperatura crítica dos supercondutores depende das massas isotrópicas dos elementos constituintes. Essa descoberta é importante porque aponta as interações elétron-fônon como o mecanismo microscópico responsável pela supercondutividade.
Mas foi somente em 1957 que os cientistas realmente começaram a desvendar os mistérios da verdadeira supercondutividade. Três cientistas americanos da Universidade de Illinois, John Bardeen, Leon Cooper e Robert Shriver, desenvolveram um modelo que começou a mostrar como os supercondutores realmente se comportam. O modelo baseia-se em ideias da mecânica quântica, mostrando que os elétrons em supercondutores tendem a se condensar para formar pares de Cooper, constituindo estados quânticos de baixa energia que podem fluir de forma coletiva e coerente. Os três físicos ganharam o Prêmio Nobel em 1972, e sua teoria agora é conhecida como a teoria BCS, as iniciais de seus respectivos nomes.
Anos depois, enquanto trabalhavam no laboratório da IBM em Zurique, em 1986 Georg Bednorz e Alex Muller realizaram experimentos em uma classe específica de óxidos metálicos cerâmicos com estruturas de perovskita. Eles estudaram centenas de tipos diferentes de óxidos, trabalhando com cerâmicas de lantânio, bário, cobre e oxigênio. Concluiu-se que os cupratos eram supercondutores a 35 K, seguido pela descoberta em 1987 de outra cerâmica com estrutura perovskita com temperatura crítica próxima a 90 K. Durante este período, vários pesquisadores de todo o mundo começaram a trabalhar em novos tipos de supercondutores, pois um grande obstáculo para o uso em larga escala de supercondutores é a necessidade de obter temperaturas muito baixas, mas materiais próximos a 90 K podem ser resfriados com nitrogênio líquido, que é mais rápido que o hélio líquido. Mais barato e mais fácil de obter. Assim, nasceu a segunda geração de supercondutores – supercondutores de alta temperatura. Desde então, os cientistas começaram a experimentar novos compostos baseados em perovskitas, atingindo temperaturas críticas superiores a 130 K. Levar governos, empresas e universidades a investir fortemente em pesquisa, o que influencia o desenvolvimento de novos materiais e melhorias nas teorias existentes. Comportamento de supercondutores em altas temperaturas.
Espera-se agora que desenvolvimentos práticos em aplicações de supercondutores de alta temperatura melhorem a confiabilidade de máquinas e dispositivos eletrônicos, visando principalmente reduzir o custo de equipamentos de refrigeração a temperaturas da ordem de 20 K. Mas o que é certo é que o entendimento e a aplicação dos supercondutores estão apenas começando.
