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O que é supercondutividade?

O que é um material supercondutor, como funcionam e qual a relação entre supercondutividade com temperatura?

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Fundamentalmente, um supercondutor é um material que se torna um condutor perfeito, sem resistência elétrica, quando fica frio o suficiente.

Heike Kamerlingh Onnes (c. 1913), descobridor da supercondutividade e o primeiro a liquefazer o hélio.

Foi descoberto pela primeira vez em 1911, quando alguns experimentalistas holandeses estavam brincando com uma nova maneira de resfriar as coisas, e uma das coisas que eles tentaram foi medir a resistência elétrica de vários metais à medida que ficavam cada vez mais frios. Alguns metais continuaram fazendo as mesmas coisas que eram esperadas com base em como se comportam em temperaturas mais altas. Mas para outros (como o mercúrio) a resistência de repente caiu para zero quando a temperatura foi reduzida para alguns graus do zero absoluto: eles se tornaram condutores perfeitos.

Por “perfeito”, quero dizer que a quantidade de energia perdida à medida que a eletricidade passava pelo fio supercondutor era zero. Hoje em dia, os supercondutores são materiais muito úteis e são usados ​​em uma variedade de tecnologias. Por exemplo, eles fazem as bobinas dos poderosos ímãs dentro de uma máquina de ressonância magnética ou dos trens maglev, eles podem permitir medições ultraprecisas de campos magnéticos em um dispositivo chamado SQUID (sigla em inglês para Dispositivo de Interferência Quântica Supercondutora) e, no futuro, há alguma chance de que as junções entre diferentes supercondutores possam ser cruciais para a implementação de um computador quântico.

Como os supercondutores funcionam?

Antes de tentar explicar como funcionam, há uma terminologia crucial sobre a física de partículas que preciso apresentar.

Os tipos de partículas que compõem o Universo podem ser classificados em dois tipos: um tipo é chamado de férmions, o outro tipo é chamado de bósons. A grande diferença entre esses dois tipos de partículas é que, para os férmions, apenas uma partícula pode estar em um estado quântico específico a qualquer momento. Para bósons, muitas partículas podem estar todas no mesmo estado ao mesmo tempo.

As partículas que transportam eletricidade nos metais são os elétrons, e são um tipo de férmion. Mas quando dois férmions se unem e formam uma nova partícula, essa nova partícula é um tipo de bóson. A supercondutividade acontece quando os elétrons são capazes de formar esses pares de bósons, e esses pares ocupam o estado de energia mais baixo possível. Nesse estado, eles se comportam como uma grande “sopa de carga” que pode se mover sem perder energia, e isso dá a resistência zero para a corrente elétrica que conhecemos como supercondutividade.

Isso deixa uma grande questão sem resposta: como os elétrons se emparelham em primeiro lugar? Se você se lembra do Ensino Médio, provavelmente aprendeu que dois objetos com a mesma carga se repelem, mas que cargas opostas se atraem. Todos os elétrons têm carga negativa e, portanto, deveriam sempre se repelir, mas então como eles ficam juntos para formar esses pares?

Teoria BCS
Um fato é que existe uma interação atrativa entre dois elétrons em temperaturas extremamente baixas. Essa interação ocorre devido à atração de Coulomb entre o elétron e a rede cristalina. Um elétron movendo-se através da rede causará um ligeiro aumento nas cargas positivas ao seu redor, puxando os íons positivos. Esse aumento na carga positiva, por sua vez, atrairá outro elétron.

A resposta envolve o fato de que o metal no qual os elétrons estão se movendo também contém muitos átomos. Esses átomos estão dispostos em um padrão de rede regular, mas têm carga positiva porque perderam alguns de seus elétrons (é daí que vêm os elétrons livres que podem formar os pares). Assim, à medida que um elétron passa por um átomo, há uma força atrativa entre eles e o átomo se move levemente em direção ao elétron. Como os elétrons são pequenos e leves, eles podem se mover rapidamente pela rede. Os átomos são grandes e pesados, então eles se movem lentamente e levam algum tempo para voltar à sua posição original na rede depois que o elétron passou. Assim, à medida que o elétron se move através da rede, ele deixa uma ondulação atrás dele. Um segundo elétron a alguma distância do primeiro agora sente o efeito dessa ondulação e, como os átomos são carregados positivamente, é atraído por ele. Assim, o segundo elétron é indiretamente atraído pelo primeiro, fazendo com que eles se movam juntos em um par.

Efeito Meissner produzido por materiais supercondutores em baixas temperaturas

Na linguagem da mecânica quântica, essas ondulações dos átomos são chamadas de fônons (o nome vem do fato de que essas ondulações também são o que permite que o som viaje através dos sólidos). Deste ponto de vista, o primeiro elétron emite um fônon que é absorvido pelo segundo elétron, efetivamente colando-os. Mas por que o metal precisa ficar muito frio antes que essa cola de fônon possa ser eficaz? A razão é que o calor em uma rede cristalina também pode ser pensado em termos de fônons. Quando o metal está quente, há muitos e muitos fônons voando por todo o lugar e é muito caótico para os elétrons sentirem a influência apenas dos fônons que foram emitidos por outros elétrons. À medida que o metal esfria, o número de fônons de temperatura diminui, deixando apenas os que vieram dos outros elétrons, o que permite que a “cola” funcione.

Brunno Pleffken Hosti

Professor. Graduando em Licenciatura em Física pela Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR). Extensão em Astrofísica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Pesquisador de IC na área de espectroscopia astronômica.

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