Breve história da supercondutividade

Breve história da supercondutividade


   Um dos fenômenos mais intrigantes da Física é a supercondutividade. Foi em 1911, na Universidade de Leiden, na Holanda, que esse fenômeno foi observado pela primeira vez, pelo físico Heike Kamerlingh Onnes. Os estudos feitos por Onnes, em 1908, consistiam em submeter o hélio gasoso a sucessivos ciclos de resfriamento e, com esse processo, era possível obter temperaturas inferiores a 4 K (kelvin). Dessa forma, Onnes pôde analisar o comportamento da resistência elétrica para diferentes materiais nessas condições. Alguns cientistas pensavam que a resistência seria infinita, pois os elétrons condutores estariam congelados, porém Onnes, em 1911, verificou experimentalmente ao estudar o mercúrio que a resistência elétrica diminui abruptamente quando esse metal era resfriado em torno de 4,2K, chamada de temperatura crítica. Ademais, o estado supercondutor poderia ser destruído ao aplicar um campo magnético suficientemente forte, chamado de campo crítico [1, 2].

   Por esse feito, Onnes foi laureado com o Prêmio Nobel em 1913. Assim, diversos cientistas, intrigados com a descoberta, foram para a Holanda a fim de estudar o fenômeno e, dessa maneira, a Universidade de Leiden se tornou uma das mais prestigiadas da época. Apesar do esforço dos cientistas, até 1933 foram descobertos ligas e metais em estados supercondutores, mas nenhum avanço de grande impacto foi realizado e pensava-se que os supercondutores possuíam características magnéticas de um condutor perfeito (condutor idealizado, o qual possui resistividade nula) [1]. 

   No entanto, em 1933, Karl Walther Meissner e Robert Ochsenfeld verificaram que o comportamento de um material em estado supercondutor não era equivalente ao de um condutor perfeito. O fenômeno observado por eles foi chamado de Efeito Meissner e explicitava que o valor do campo magnético no interior de um supercondutor era nulo, independente das condições iniciais. Isso significa que abaixo da temperatura crítica o supercondutor “expulsa” as linhas de campo magnético, independentemente se o campo foi aplicado antes ou depois do resfriamento. Esse efeito é a causa da levitação de um imã quando este é colocado sobre um supercondutor. Ainda, em um material em estado supercondutor, o fluxo magnético no metal é nulo, diferente de um condutor perfeito, no qual o fluxo é constante. Com essa descoberta, a supercondutividade passou a ser um novo estado da matéria [1, 2].

   Em 1935, o Efeito Meissner foi descrito de maneira satisfatória pelos estudos dos irmãos London. Esses cientistas alemães desenvolveram a Teoria de London, a qual prevê, matematicamente, o Efeito Meissner, já que no interior da amostra a solução da equação de London tende a zero. No entanto, essa teoria não explica o porquê desse fenômeno ocorrer. Ainda, os supercondutores podem ser classificados em duas categorias: Tipo I e Tipo II [1]. 

   Os supercondutores do Tipo I não possuem estados mistos, isso significa que acima do valor do campo crítico, o estado supercondutor é totalmente destruído. Já os supercondutores do Tipo II, possuem estados mistos, chamados de vórtices. Nesse caso, há dois valores de campo crítico e, ao atingir o valor do primeiro, ocorre a formação dos estados mistos, regiões supercondutoras e normais no mesmo material. Ao atingir o valor do segundo campo crítico, o material retorna ao estado normal. Usualmente, os materiais do Tipo II possuem temperaturas críticas mais elevadas, facilitando seu uso em aplicações [1, 2].

   A teoria que explica o porquê da ocorrência do fenômeno da supercondutividade foi desenvolvida pelos norte-americanos John Bardeen, Leon N. Cooper e John R. Schrieffer e foi chamada de Teoria BCS. A base dessa teoria é a atração entre os elétrons no estado fundamental, a qual é mediada por fônons (vibrações coletivas dos átomos que formam a rede cristalina e possuem energia quantizada). Dessa maneira, quando o elétron interage com a rede cristalina, ele a deforma e um segundo elétron utiliza essa deformação para minimizar a sua energia. Esse processo de interações ficou conhecido como pares de Cooper. Os três cientistas foram laureados com o Prêmio Nobel em 1972 pelo desenvolvimento dessa teoria [1, 3].

   Apesar da aceitação e sucesso da Teoria BCS pela comunidade científica, aquela não é capaz de explicar o comportamento de supercondutores com valores elevados de temperatura crítica. Em 1986, foi descoberto pelos cientistas G. Bednorz e K. A. Muller  um material cerâmico, conhecido como LBCO, que adentrava no estado supercondutor a uma temperatura em torno de 30K, um valor considerado alto. É válido ressaltar que trabalhos posteriores à Teoria BCS destacavam que havia um limite superior para a temperatura crítica e, com a observação de uma temperatura crítica alta, a área da supercondutividade foi abalada e necessitou-se de novos estudos [1].

   Dessa forma, atualmente não existe uma teoria aceitável pela comunidade científica da existência de um limite superior para os valores de temperatura crítica. Ademais, com as verificações experimentais de materiais em estados supercondutores a altas temperaturas, também não há uma teoria completamente satisfatória para a supercondutividade, considerando essa característica [1]. 

Autora: Rieli Tainá Gomes dos Santos.

Referências

[1] COSTA, M. B. S.; PAVÃO, A. C. Supercondutividade: um século de desafios e superação. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 34, n. 2, p. 2602–2615, jun. 2012. 

[2] BRANÍCIO, P. S. Introdução à supercondutividade, suas aplicações e a mini-revolução provocada pela redescoberta do MGB2: uma abordagem didática. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 23, dez. 2001.

[3] ZHAO, X.-S. et al. Physical Mechanism of Superconductivity. arXiv:1012.0879 [cond-mat], 3 dez. 2010.

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