34.6: Supercondutores de alta temperatura

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

Identifique os supercondutores e seus usos.
Discuta a necessidade de um supercondutor de alto T _c.

Supercondutores são materiais com uma resistividade de zero. Eles são familiares ao público em geral por causa de suas aplicações práticas e foram mencionados em vários pontos do texto. Como a resistência de um supercondutor é zero, não há perdas de calor para as correntes que passam por eles; eles são usados em ímãs que precisam de altas correntes, como em máquinas de ressonância magnética, e podem reduzir as perdas de energia na transmissão de energia. Mas a maioria dos supercondutores deve ser resfriada a temperaturas de apenas alguns kelvin acima do zero absoluto, um procedimento caro que limita suas aplicações práticas. Na última década, grandes avanços foram feitos na produção de materiais que se tornam supercondutores em temperaturas relativamente altas. Há esperança de que supercondutores à temperatura ambiente possam algum dia ser fabricados.

A supercondutividade foi descoberta acidentalmente em 1911 pelo físico holandês H. Kamerlingh Onnes (1853-1926) quando ele usou hélio líquido para resfriar mercúrio. Onnes havia sido a primeira pessoa a liquefazer o hélio alguns anos antes e ficou surpreso ao observar a resistividade de um condutor medíocre como o mercúrio cair para zero a uma temperatura de 4,2 K. Definimos a temperatura na qual e abaixo da qual um material se torna um supercondutor para ser crítico temperatura, indicada por$T_{c}$. (Veja a Figura$\PageIndex{1}$.) O progresso na compreensão de como e por que um material se tornou um supercondutor foi relativamente lento, com a primeira teoria viável chegando em 1957. Certos outros elementos também se tornaram supercondutores, mas todos tinham menos$T_{c}$ do que$10 K$, que são caros de manter. Embora Onnes tenha recebido o prêmio Nobel em 1913, foi principalmente por seu trabalho com hélio líquido.

Figura$\PageIndex{1}$: Um gráfico de resistividade versus temperatura para um supercondutor mostra uma transição nítida para zero na temperatura crítica$T_{c}$. Os supercondutores de alta temperatura podem ser verificáveis maiores$T_{c}$ do que$25 K$, bem acima da$77 K$ temperatura facilmente alcançada do nitrogênio líquido.

Em 1986, um avanço foi anunciado - descobriu-se que um composto cerâmico tinha um valor sem precedentes$T_{c}$ de 35 K. Parecia que temperaturas críticas muito mais altas poderiam ser possíveis e, no início de 1988, descobriu-se que outra cerâmica (esta de tálio, cálcio, bário, cobre e oxigênio) tinha$T_{c} = 125 K$ (ver Figura$\PageIndex{2}$.) O potencial econômico de condutores perfeitos economizando energia elétrica é imenso para$T_{c}$ nós$77 K$, já que essa é a temperatura do nitrogênio líquido. Embora o hélio líquido tenha um ponto de ebulição de$4 K$ e possa ser usado para fazer materiais supercondutores, ele custa cerca de $5 por litro. O nitrogênio líquido ferve$77 K$, mas custa apenas cerca de US $0,30 por litro. Houve uma euforia geral com a descoberta desses supercondutores cerâmicos complexos, mas isso logo diminuiu com a dificuldade preocupante de transformá-los em fios utilizáveis. O primeiro uso comercial de um supercondutor de alta temperatura é em um filtro eletrônico para telefones celulares. Supercondutores de alta temperatura são usados em aparelhos experimentais e estão sendo pesquisados ativamente, particularmente em aplicações de película fina.

A figura mostra um ímã em forma de botão flutuando acima de um disco supercondutor. Alguma névoa fina está fluindo do disco. — Figura$\PageIndex{2}$: Uma característica de um supercondutor é que ele exclui o fluxo magnético e, portanto, repele outros ímãs. O pequeno ímã levitado acima de um supercondutor de alta temperatura, que é resfriado por nitrogênio líquido, evidencia que o material é supercondutor. Quando o material aquece e se torna condutor, o fluxo magnético pode penetrá-lo e o ímã repousa sobre ele. (crédito: Saperaud)

A busca continua por$T_{c}$ supercondutores ainda maiores, muitas cerâmicas complexas e exóticas de óxido de cobre, às vezes incluindo estrôncio, mercúrio ou ítrio, bem como bário, cálcio e outros elementos. A temperatura ambiente (aproximadamente$293 K$) seria ideal, mas qualquer temperatura próxima à temperatura ambiente é relativamente barata de produzir e manter. Há relatos persistentes$T_{c}$ de que acabou$200 K$ e alguns nas proximidades de$270 K$. Infelizmente, essas observações não são rotineiramente reproduzíveis, com amostras perdendo sua natureza supercondutora depois de aquecidas e resfriadas (recicladas) algumas vezes (veja a Figura$\PageIndex{3}$). Eles agora são chamados de USos ou objetos supercondutores não identificados, por frustração e pela recusa de algumas amostras em se apresentarem altas,$T_{c}$ embora produzidas da mesma maneira que outras. A reprodutibilidade é crucial para a descoberta, e os pesquisadores estão justificadamente relutantes em reivindicar o avanço que todos buscam. O tempo dirá se os USOs são reais ou uma peculiaridade experimental.

A teoria dos supercondutores comuns é difícil, envolvendo efeitos quânticos para elétrons amplamente separados que viajam por um material. Os elétrons se acoplam de uma maneira que lhes permite atravessar o material sem perder energia, tornando-o um supercondutor. $T_{c}$Supercondutores altos são mais difíceis de entender teoricamente, mas os teóricos parecem estar se aproximando de uma teoria viável. A dificuldade de entender como os elétrons podem se infiltrar pelos materiais sem perder energia em colisões é ainda maior em temperaturas mais altas, onde átomos vibrantes devem atrapalhar. Os descobridores do alto nível$T_{c}$ podem sentir algo análogo ao que um político disse uma vez após uma vitória eleitoral inesperada: “Eu me pergunto o que fizemos certo?”

A Figura a é um gráfico da resistividade versus temperatura. A resistividade vai de zero a zero ponto seis mili ohm centímetros e a temperatura vai de cem a trezentos kelvin. Há três curvas no gráfico. A primeira curva começa perto de zero ponto, um mili ohm centímetros, cem kelvin, e aumenta linearmente até zero ponto seis mili ohm centímetros, duzentos e oitenta kelvin. A segunda curva está na resistividade zero de 100 kelvin para cerca de duzentos e trinta e cinco kelvin, depois salta direto até o ponto zero quatro mili ohm centímetros, após o qual aumenta linearmente com a temperatura com a mesma inclinação da primeira curva. A terceira curva tem um ponto a menos zero ponto zero cinco mili ohm centímetros a cerca de cento e trinta kelvin, então se torna positiva e aumenta essencialmente linearmente com a mesma inclinação da primeira curva. A Figura b mostra uma estrutura de andaime composta por hastes. Em cada vértice do andaime, há uma bola branca, vermelha, roxa ou azul. Cada cor representa um tipo diferente de átomo. As bolas brancas são as maiores, depois as vermelhas, depois as roxas e as azuis são as menores. As bolas estão dispostas em um padrão sistemático. De baixo para cima, as camadas do andaime são formadas por bolas brancas e vermelhas, depois bolas vermelhas e azuis, depois bolas roxas, depois novamente bolas vermelhas e azuis e, finalmente, bolas brancas e vermelhas novamente. Em cada camada individual, as bolas formam vários padrões de grade. Essa estrutura de andaime forma uma forma de tijolo e um tijolo idêntico é posicionado acima dela com um espaço entre os dois tijolos. Os dois tijolos são conectados entre si por uma única camada de bolas azuis. — Figura$\PageIndex{3}$: (a) Este gráfico, adaptado de um artigo no Physics Today, mostra o comportamento de uma única amostra de um supercondutor de alta temperatura em três ensaios diferentes. Em um caso, a amostra exibiu cerca$T_{c}$ de$230 K$, enquanto nos outros não se tornou supercondutora. A falta de reprodutibilidade é típica de experimentos de vanguarda e proíbe conclusões definitivas. (b) Este diagrama colorido mostra a natureza complexa, mas sistemática, da estrutura de rede de uma cerâmica supercondutora de alta temperatura. (crédito: en:Cadmium, Wikimedia Commons)

Resumo

Supercondutores de alta temperatura são materiais que se tornam supercondutores em temperaturas bem acima de alguns kelvin.
A temperatura crítica$T_{c}$ é a temperatura abaixo da qual um material é supercondutor.
Alguns supercondutores de alta temperatura foram verificados$T_{c}$ acima$125 K$, e há relatos de$T_{c}$ s tão altos quanto$250 K$.

Glossário

Supercondutores: materiais com resistividade de zero

temperatura crítica: a temperatura na qual e abaixo da qual um material se torna um supercondutor