O que é o fenômeno da supercondutividade? A supercondutividade é um fenômeno com resistência elétrica zero e a liberação de campos de fluxo magnético que ocorrem em certos materiais, chamados supercondutores, quando resfriados abaixo de uma temperatura crítica característica.
O fenômeno foi descoberto pelo físico holandês Heike Kamerling-Onnes em 8 de abril de 1911 em Leiden. Como o ferromagnetismo e as linhas espectrais atômicas, a supercondutividade é um fenômeno da mecânica quântica. É caracterizado pelo efeito Meissner - uma ejeção completa de linhas de campo magnético de dentro do supercondutor durante sua transição para o estado supercondutor.
Esta é a essência do fenômeno da supercondutividade. O surgimento do efeito Meissner indica que a supercondutividade não pode ser entendida simplesmente como uma idealização da condutividade ideal na física clássica.
O que é o fenômeno da supercondutividade
A resistência elétrica de um condutor metálico diminui gradualmente à medida quebaixando a temperatura. Em condutores comuns, como cobre ou prata, essa redução é limitada por impurezas e outros defeitos. Mesmo perto do zero absoluto, uma amostra real de um condutor normal mostra alguma resistência. Em um supercondutor, a resistência cai drasticamente para zero quando o material é resfriado abaixo de sua temperatura crítica. A corrente elétrica através de um loop de fio supercondutor pode ser mantida indefinidamente sem uma fonte de energia. Esta é a resposta para a pergunta, qual é o fenômeno da supercondutividade.
Histórico
Em 1911, enquanto estudava as propriedades da matéria em temperaturas muito baixas, o físico holandês Heike Kamerling Onnes e sua equipe descobriram que a resistência elétrica do mercúrio cai para zero abaixo de 4,2 K (-269°C). Esta foi a primeira observação do fenômeno da supercondutividade. A maioria dos elementos químicos torna-se supercondutora em temperaturas suficientemente baixas.
Abaixo de uma certa temperatura crítica, os materiais passam para um estado supercondutor, caracterizado por duas propriedades principais: primeiro, eles não resistem à passagem da corrente elétrica. Quando a resistência cai para zero, a corrente pode circular dentro do material sem dissipação de energia.
Em segundo lugar, desde que sejam suficientemente fracos, os campos magnéticos externos não penetram no supercondutor, mas permanecem em sua superfície. Esse fenômeno de expulsão de campo ficou conhecido como efeito Meissner depois que foi observado pela primeira vez por um físico em 1933.
Três nomes, três letras e uma teoria incompleta
A física comum não forneceexplicações do estado supercondutor, bem como a teoria quântica elementar do estado sólido, que considera o comportamento dos elétrons separadamente do comportamento dos íons em uma rede cristalina.
Somente em 1957, três pesquisadores americanos - John Bardeen, Leon Cooper e John Schrieffer criaram a teoria microscópica da supercondutividade. De acordo com sua teoria BCS, os elétrons agrupam-se em pares através da interação com as vibrações da rede (os chamados "fônons"), formando assim pares de Cooper que se movem sem atrito dentro de um sólido. Um sólido pode ser visto como uma rede de íons positivos imersos em uma nuvem de elétrons. Quando um elétron passa por essa rede, os íons se movem levemente, sendo atraídos pela carga negativa do elétron. Esse movimento gera uma região eletricamente positiva, que por sua vez atrai outro elétron.
A energia da interação eletrônica é bastante fraca, e os vapores podem ser facilmente quebrados pela energia térmica - então a supercondutividade geralmente ocorre em temperaturas muito baixas. No entanto, a teoria BCS não fornece uma explicação para a existência de supercondutores de alta temperatura em torno de 80 K (-193 ° C) e acima, para os quais outros mecanismos de ligação de elétrons devem estar envolvidos. A aplicação do fenômeno da supercondutividade é baseada no processo acima.
Temperatura
Em 1986, alguns materiais cerâmicos de cuprato-perovskita apresentaram temperaturas críticas acima de 90 K (-183 °C). Esta alta temperatura de junção é teoricamenteimpossível para um supercondutor convencional, levando os materiais a serem chamados de supercondutores de alta temperatura. O nitrogênio líquido de resfriamento disponível ferve a 77 K e, portanto, a supercondutividade em temperaturas mais altas do que essas facilita muitos experimentos e aplicações que são menos práticos em temperaturas mais baixas. Esta é a resposta para a pergunta em que temperatura ocorre o fenômeno da supercondutividade.
Classificação
Os supercondutores podem ser classificados de acordo com vários critérios que dependem do nosso interesse em suas propriedades físicas, do entendimento que temos sobre eles, do custo de resfriá-los ou do material de que são feitos.
Por suas propriedades magnéticas
Supercondutores do tipo I: aqueles que possuem apenas um campo crítico, Hc, e passam abruptamente de um estado para outro quando é atingido.
Supercondutores do tipo II: tendo dois campos críticos, Hc1 e Hc2, sendo supercondutores perfeitos sob o campo crítico inferior (Hc1) e deixando completamente o estado supercondutor acima do campo crítico superior (Hc2), estando em estado misto entre os campos críticos.
Como os entendemos sobre eles
Supercondutores comuns: aqueles que podem ser totalmente explicados pela teoria BCS ou teorias relacionadas.
Supercondutores não convencionais: aqueles que não podem ser explicados usando tais teorias, por exemplo: fermiônico pesadosupercondutores.
Este critério é importante porque a teoria BCS vem explicando as propriedades dos supercondutores convencionais desde 1957, mas por outro lado, não existe uma teoria satisfatória para explicar os supercondutores completamente não convencionais. Na maioria dos casos, os supercondutores do Tipo I são comuns, mas há algumas exceções, como o nióbio, que é comum e do Tipo II.
Por sua temperatura crítica
Supercondutores de baixa temperatura, ou LTS: aqueles cuja temperatura crítica é inferior a 30 K.
Supercondutores de alta temperatura, ou HTS: aqueles cuja temperatura crítica está acima de 30 K. Alguns agora usam 77 K como separação para enfatizar se podemos resfriar a amostra com nitrogênio líquido (cujo ponto de ebulição é 77 K), que é muito mais viável que o hélio líquido (uma alternativa para atingir as temperaturas necessárias para produzir supercondutores de baixa temperatura).
Outros detalhes
Um supercondutor pode ser do tipo I, o que significa que possui um único campo crítico, acima do qual toda a supercondutividade é perdida e abaixo do qual o campo magnético é completamente eliminado do supercondutor. Tipo II, ou seja, possui dois campos críticos entre os quais permite a penetração parcial do campo magnético através de pontos isolados. Esses pontos são chamados de vórtices. Além disso, em supercondutores multicomponentes, é possível uma combinação de dois comportamentos. Neste caso, o supercondutor é do tipo 1, 5.
Propriedades
A maioria das propriedades físicas dos supercondutores varia de material para material, como capacidade de calor e temperatura crítica, campo crítico e densidade de corrente crítica na qual a supercondutividade se rompe.
Por outro lado, existe uma classe de propriedades que são independentes do material base. Por exemplo, todos os supercondutores têm resistividade absolutamente zero em baixas correntes aplicadas, quando não há campo magnético, ou quando o campo aplicado não excede um valor crítico.
A presença dessas propriedades universais implica que a supercondutividade é uma fase termodinâmica e, portanto, tem certas propriedades distintas que são amplamente independentes dos detalhes microscópicos.
A situação é diferente no supercondutor. Em um supercondutor convencional, o líquido de elétrons não pode ser separado em elétrons individuais. Em vez disso, consiste em pares de elétrons ligados conhecidos como pares de Cooper. Esse emparelhamento é causado pela força atrativa entre os elétrons resultante da troca de fônons. Devido à mecânica quântica, o espectro de energia deste líquido do par de Cooper possui um gap de energia, ou seja, existe uma quantidade mínima de energia ΔE que deve ser fornecida para excitar o líquido.
Portanto, se ΔE for maior que a energia térmica da grade dada por kT, onde k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura, o líquido não será espalhado pela grade. entãoAssim, o vapor líquido de Cooper é superfluido, o que significa que pode fluir sem dissipar energia.
Características de supercondutividade
Em materiais supercondutores, as características de supercondutividade aparecem quando a temperatura T cai abaixo da temperatura crítica Tc. O valor desta temperatura crítica varia de material para material. Os supercondutores convencionais normalmente têm temperaturas críticas que variam de cerca de 20 K a menos de 1 K.
Por exemplo, o mercúrio sólido tem uma temperatura crítica de 4,2 K. Em 2015, a temperatura crítica mais alta encontrada para um supercondutor convencional é de 203 K para H2S, embora fosse necessária uma alta pressão de cerca de 90 gigapascals. Os supercondutores de cuprato podem ter temperaturas críticas muito mais altas: YBa2Cu3O7, um dos primeiros supercondutores de cuprato descobertos, tem uma temperatura crítica de 92 K, e cupratos à base de mercúrio com temperaturas críticas superiores a 130 K foram encontrados. A explicação para essas altas temperaturas críticas permanece desconhecido.
O emparelhamento de elétrons devido a trocas de fônons explica a supercondutividade em supercondutores convencionais, mas não explica a supercondutividade em supercondutores mais novos que têm uma temperatura crítica muito alta.
Campos magnéticos
Da mesma forma, a uma temperatura fixa abaixo da temperatura crítica, os materiais supercondutores param de supercondutores quando um campo magnético externo é aplicado maior quecampo magnético crítico. Isso ocorre porque a energia livre de Gibbs da fase supercondutora aumenta quadraticamente com o campo magnético, enquanto a energia livre da fase normal é aproximadamente independente do campo magnético.
Se o material é supercondutor na ausência de um campo, então a energia livre da fase supercondutora é menor que a da fase normal e, portanto, para algum valor finito do campo magnético (proporcional ao quadrado raiz da diferença de energias livres em zero), as duas energias livres serão iguais e haverá uma transição de fase para a fase normal. Mais geralmente, uma temperatura mais alta e um campo magnético mais forte resultam em uma proporção menor de elétrons supercondutores e, portanto, uma maior profundidade de penetração em Londres de campos magnéticos e correntes externas. A profundidade de penetração torna-se infinita na transição de fase.
Físico
O início da supercondutividade é acompanhado por mudanças abruptas em várias propriedades físicas, que é a marca registrada de uma transição de fase. Por exemplo, a capacidade de calor do elétron é proporcional à temperatura no regime normal (não supercondutor). Na transição supercondutora, ela experimenta um s alto e depois deixa de ser linear. Em baixas temperaturas, ele muda em vez de e−α/T para algum α constante. Esse comportamento exponencial é uma das evidências da existência de um gap de energia.
Transição de fase
A explicação do fenômeno da supercondutividade é bastanteobviamente. A ordem da transição de fase supercondutora tem sido discutida há muito tempo. Experimentos mostram que não há transição de segunda ordem, ou seja, calor latente. No entanto, na presença de um campo magnético externo, há calor latente porque a fase supercondutora tem uma entropia menor, menor que a temperatura crítica, que a fase normal.
Demonstrado experimentalmente o seguinte: quando o campo magnético aumenta e ultrapassa o campo crítico, a transição de fase resultante leva a uma diminuição da temperatura do material supercondutor. O fenômeno da supercondutividade foi brevemente descrito acima, agora é hora de falar sobre as nuances desse importante efeito.
Cálculos feitos na década de 1970 mostraram que ele poderia de fato ser mais fraco que o de primeira ordem devido à influência de flutuações de longo alcance no campo eletromagnético. Na década de 1980, foi teoricamente demonstrado usando a teoria do campo de desordem, na qual as linhas de vórtices supercondutoras desempenham um papel importante, que a transição é de segunda ordem no modo tipo II e de primeira ordem (ou seja, calor latente) no modo tipo I, e que as duas regiões são separadas por um ponto tricrítico.
Os resultados foram fortemente confirmados por simulações de computador em Monte Carlo. Isso desempenhou um papel importante no estudo do fenômeno da supercondutividade. O trabalho continua no momento. A essência do fenômeno da supercondutividade não é totalmente compreendida e explicada do ponto de vista da ciência moderna.
