Energia, Materiais, Mecânica quântica, Partículas subatômicas, Supercondutores

O fenômeno da supercondutividade

Alguns sólidos perdem toda a resistência à corrente elétrica em certas condições. Este é o fenômeno da supercondutividade e o assunto de hoje.

Como obter a supercondutividade?

Para um material se tornar supercondutor, este deve ser resfriado a temperaturas extremamente baixas até atingir a temperatura crítica T_{C}, onde a resistência elétrica cai para zero. Nem todos os materiais podem se tornar supercondutores, apesar da resistência cair com a temperatura.

resistividade x temperatura
Um material sobre um campo magnético H_{C} suficientemente forte pode permanecer no estado normal, mesmo abaixo da temperatura crítica. Existe um campo magnético crítico que deve ficar abaixo de um valor para obter a supercondutividade. O valor de H_{C} depende do material e da temperatura ambiente.

Gráfico campo magnético x temperatura

O material supercondutor

Quando o material alcança a temperatura crítica, propriedades interessantes surgem. Um supercondutor apresenta o efeito Meissner, não permite campo magnético no seu interior e se torna um diamagnético perfeito.

Efeito Meissner

Graças ao efeito Meissner, um ímã pode flutuar sobre a superfície de um supercondutor, o contrário também pode acontecer.

Ímã flutuante
Este é um ímã flutuando sobre um disco supercondutor em nitrogênio líquido.

Este efeito acontece devido às correntes na superfície (em verde), cujos campos magnéticos (vermelho) são fortes o suficiente para cancelar o campo externo (azul) dentro do material por estarem em sentidos opostos.

Efeito Meissner
No estado de supercondutividade, uma corrente elétrica pode ser mantida sem uma diferença de potencial ou tensão.

A teoria BCS

A teoria BCS, cujo nome vem das iniciais dos três autores (Bardeen, Cooper e Schrieffer), foi criada para explicar a supercondutividade. De acordo com esta teoria, os elétrons de spins opostos dentro do material formam pares de Cooper e interagem eletricamente com a estrutura molecular cristalina. O elétron da frente distorce a estrutura e atrai cargas positivas. As cargas positivas mais próximas entre si atraem o elétron de trás, seguindo o da frente.

GIF

O pacote de energia que une o par de elétrons, criado pela distorção da estrutura cristalina é chamado de fônon.

Diagrama elétron-fônon

Efeito isotópico

Isótopos são átomos de um mesmo elemento com massas diferentes. Foi verificado que diferentes isótopos de mercúrio têm temperaturas críticas diferentes. Este é o efeito isotópico previsto pela teoria BCS.

Efeito isotópico

Tipos de supercondutores

Existem dois tipos de materiais supercondutores: Tipo 1, feitos de um único elemento, e tipo 2, formados por ligas e compostos.

  • Exemplos do tipo 1: Mercúrio (Hg), alumínio (Al), chumbo (Pb).
  • Exemplos do tipo 2: SmFeAs(O,F), YBCO (YBa_{2}Cu_{3}O_{7}), BSSCO (Bi_{2}Sr_{2}CuO_{6}).

Outras diferenças são:

  • O tipo 1 tem apenas uma intensidade de campo crítica. Enquanto o tipo 2 tem dois valores de campo: O superior H_{C2} e o inferior H_{C1}. Estes demarcam o estado de transição entre o normal e a supercondutividade, onde há vórtices de correntes supercondutoras.

  • O tipo 2 não é um diamagnético perfeito no estado transitório. Logo, tem um efeito Meissner incompleto.
  • O tipo 2 tem temperaturas críticas bem maiores que o tipo 1. A teoria BCS afirma que a temperatura crítica máxima é de 30 Kelvins (-243ºC) e não consegue explicar o tipo 2.

A busca por supercondutores quentes

Resfriar materiais para obter a supercondutividade é muito caro e complexo. Por isso, vários laboratórios estão buscando supercondutores com temperaturas cada vez maiores. Até o momento, o material com maior temperatura crítica é o sulfeto de hidrogênio, cujo valor é 203 K (-70ºC). Mas para ter a supercondutividade, deve ser submetido à altíssima pressão para ficar em estado sólido.

Sulfeto de hidrogênio

A supercondutividade é uma área muito extensa, outros assuntos relacionados ficarão para futuros posts.

 

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