Pela primeira vez o efeito da supercondutividade foi identificado pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) usando o mercúrio, o qual perdeu toda a resistência ao fluxo dos elétrons quando a temperatura baixou aos 4,0 graus Kelvin (ou -269 graus Celsius) , a temperatura em que o gás hélio se liquefaz. (Ver “Supercondutividade: quase 100 anos”)

A pesquisa de Onnes o tornou vencedor do Prêmio Nobel em 1913.

A questão principal é que ainda ninguém sabia explicar como isso podia acontecer.

Em 1933, os pesquisadores alemães Walter Meissner (1882-1974) and Robert Ochsenfeld (1901-1993) descobriram que um material na fase supercondutora repele o campo magnético!

Comportamento muito estranho, pois o funcionamento do motor elétrico e do gerador elétrico está fundamentado no fenômeno da indução magnética, efeito identificado pelo inglês Michael Faraday (1791-1867) em 1831: um ímã em movimento induz corrente elétrica em um circuito de material condutor.

O que acontece é que o campo magnético produzido pelo ímã é repelido pela corrente elétrica induzida no material supercondutor!

O material na fase supercondutora se comporta como um espelho magnético, refletindo o campo magnético produzido pelo ímã.

Esse efeito de repulsão magnética – batizado de Efeito Meissner – é tão intenso que o ímã levita sobre o material que está superconduzindo.

Outro desenvolvimento muito importante foi realizado em 1962, por Brian David Josephson – nascido em 1940 no País de Gales – com a previsão teórica de que a corrente elétrica pode fluir entre dois supercondutores, mesmo quando os mesmos estão separados por um material isolante (feito um sanduiche).

Depois que a sua previsão foi confirmada pelas experiências, Josephson dividiu o Prêmio Nobel de 1973 com o japonês Leon Isaki e com o.

Esse é o Efeito Josephson que tem sido aplicado em dispositivos eletrônicos como o SQUID, detetor de campo magnético de altíssima sensibilidade.

A supercondutividade causou perplexidade em algumas das melhores mentes do século XX até ser finalmente compreendida a partir do comportamento microscópico, em 1957, com a contribuição marcante dos vencedores do Prêmio Nobel de 1972, os físicos estadunidenses John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer, que desenvolveram a teoria clássica batizada por teoria BCS, as iniciais dos respectivos sobrenomes, para descrever o fenômeno da supercondutividade nos metais, ou materiais condutores de corrente elétrica.

Desde o início da década de 1960 tem havido muitas aplicações da supercondutividade incluindo grandes ímãs para obter imagens na medicina e para a física de alta energia, cavidades de rádio-frequência e componentes para uma variedade de aplicações, além de dispositivos de interferência quântica para magnetômetros sensíveis e circuitos digitais.

Em 1986, um sonho de muitos pesquisadores foi realizado com a descoberta dos compostos cerâmicos contendo camadas de cobre-oxigênio – o óxido de metal de transição BaLaCuO (bário-lantânio-cobre-oxigênio) – que superconduzem corrente elétrica com temperatura de 35 graus Kelvin.

A revolucionária descoberta da supercondutividade nesta classe de compostos foi o resultado da pesquisa de Johannes Georg Bednorz e Karl Alex Mueller, pesquisadores do Laboratório da IBM na Suíça, e por isso também venceram o Prêmio Nobel em 1987.

O que surpreende é que essas cerâmicas são isolantes elétricos em temperatura ambiente, mas quando são resfriadas até temperaturas muito baixas se comportam como supercondutores.
Isso implica que a teoria BCS não está mais conseguindo dar conta da supercondutividade apresentadas por esses novos materias, por isso está aberto o caminho para que quiser tentar explicar como a supercondutividade acontece nas cerâmicas, por exemplo.

Atualmente já existem outros materiais e as pesquisas continuam com o objetivo de conseguir o fenômeno supercondutor em temperatura ambiente.

O objetivo é descobrir um processo físico que produza esse efeito o mais próximo possível da temperatura ambiente: cerca de 303 Kelvin, ou 30 graus Celsius.

Em 1986 foi alcançada a temperatura de 77 Kelvin (-296 graus Celsius) com a liga cerâmica BaLaCuO desenvolvida em laboratório.

Porém, o progresso que parecia evidente foi adiado, porque não se encontrou meios científicos e tecnológicos para superar a baixa intensidade da densidade de corrente necessária para produzir e manter o estado de supercorrente nesse material (ver publicação de 26. junho.2008).

Atualmente, há um novo material feito em laboratório combinando o óxido de ferro com elementos químicos de terras raras - os lantanideos – que tem apresentado características supercondutoras muito interessantes.

No início de 2008, uma equipe de pesquisadores do Japão (Ref 1) anunciou o primeiro material supercondutor com óxido de ferro, LaFeAsO(1-x)Fx, com temperatura de transição igual a 26 Kelvin.

Três meses depois, uma equipe da China (Ref 2) publicou os resultados obtidos com um material supercondutor com óxido de ferro, mas trocando o lantanium (La) pelo samarium (Sa) – SaFeAsO(1-x)Fx – com temperatura de transição igual a 43K.

Agora outra equipe chinesa (Ref 3), liderada por Nanlin Wang e trabalhando na Chinese Academy of Sciences em Beijing (Pequim), comunicou a identificação de outro material supercondutor com óxido de ferro, desta vez trocando o samarium (Sa) pelo cerium (Ce) – CeFeAsO(1–x)Fx – cuja temperatura de transição é 41K.

Os pesquisadores testaram a resistividade elétrica do novo material dopado com várias quantidades de flúor (verfigura abaixo) submetido a temperaturas desde muito próximas do zero absoluto (zero Kelvin) até a temperatura ambiente (próximo de 300K).

A resistividade do composto sem flúor (curva preta no gráfico) exibiu um pico alto incomum para a temperatura de 145 Kelvin, mas isso foi atribuído a instabilidades na onda de densidade de spin – o estado fundamental dos metais.

Quanto mais flúor foi adicionado ao material, maior foi o decréscimo da resistividade, até que a quantidade de flúor atingiu a proporção ideal e a temperatura de transição alcançou os 41 Kelvin (curva ciano).

Esse valor da temperatura de transição é maior do que o previsto pela teoria clássica da supercondutividade, a famosa teoria BCS (iniciais dos sobrenomes dos três autores: Bardeen, Cooper e Schrieffer).

Segundo os autores, parece que a dopagem com o flúor adiciona elétrons extras que eliminam a instabilidade da onda de densidade de spin e produz o estado de supercondução.

Os pesquisadores também consideram uma função potencialmente importante para os elétrons externos do cerium.

Essas novas interações estão se tornando o interesse central na pesquisa de materiais supercondutores com alta temperatura de transição.

Referências:

1- Kamihara, Y., Watanabe, T., Hirano, M. & Hosono, H. Iron-based layered superconductor La[O1-xFx]FeAs (x = 0.05–0.12) with Tc = 26 K. J. Am. Chem. Soc. 130, 3296–3297 (2008). Article

2- Chen, X. H. et al. Superconductivity at 43 K in SmFeAsO1-xFx. Nature 453, 761–762 (2008). Article

3- Chen, G. F. et al. Superconductivity at 41 K and its competition with spin-density-wave instability in layered CeO1-xFxFeAs. Phys. Rev. Lett 100, 247002 (2008). Article

Esse material superconduziu mergulhado no nitrogênio líquido, cuja temperatura de liquefação é 77K , ou (-196) graus Celsius.

A partir desse momento, pareceu que estava bem próxima a possibilidade de produzir fios e cabos desse material para conduzir corrente elétrica com resistência nula.

No entanto logo foi constatado que a densidade de corrente crítica para produzir e manter o estado de supercorrente que pode ser conduzida nesse material policristalino tem intensidade muito pequena.

Se aumentar a intensidade da corrente elétrica, o estado supercondutor é destruído.

Em muitos materiais a densidade de corrente é suprimida nos contornos granulares por causa de fenômenos tais como interface com carga elétrica acumulada e a curvatura da banda de energia da estrutura eletrônica.

A substituição parcial – processo de dopagem – do ytrium pelo cálcio no composto YBa2Cu3O7-d tem sido usada para aumentar substancialmente a intensidade da densidade de corrente no contorno granular, mas isso só ocorre em temperaturas muito menores que 77K.

Em 2000, o trabalho da equipe de Hammerl (ref.2) mostrou que uma super dopagem do contorno granular, relativa aos próprios grãos, produz densidade de corrente com intensidade que supera os valores anteriormente publicados.

Esses resultados indicam que a dopagem dos contornos granulares é uma abordagem viável para produzir cabos supercondutores funcionando com a temperatura do nitrogênio líquido.

1- Bednorz, J. G. &MuÈller, K. A. Possible high Tc superconductivity in the BaLaCuO system. Z. Phys. B64, (1986).
2- Mammerl, G. et al., Enhanced supercurrent density in polycrystalline YBa2Cu3O7-d at 77 K from calcium doping of grain boundaries, Nature, 407 (14 september 2000).

Isso ocorre quando a temperatura do material fica abaixo de certa temperatura crítica característica para cada material, conhecida como a temperatura de transição.

Até recentemente, a maioria dos supercondutores com temperaturas de transição superiores a 40K – este é o valor máximo para a temperatura prevista pela teoria clássica da supercondutividade, conhecida como a teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schriffer) – eram construídos com camadas de óxido de cobre.

Trabalhando na Universidade de Ciência e Tecnologia da China na cidade de Hefei, a equipe de Xianhui Chen identificou um supercondutor diferente cuja temperatura de transição é superior a 43K.

No início deste ano, os pesquisadores do Japão anunciaram o supercondutor com óxido de ferro LaFeAsO1-xFx, o qual apresenta temperatura de transição de 26K.

Três meses depois, Chen e sua equipe apresentaram o supercondutor de óxido de ferro SmFeAsO1-xFx (ver figura), o qual tem o lantanídeo substituído pelo samarium e essa sutil alteração na composição do material aumentou a temperatura de transição para 43K.

Comparando as temperaturas de transição, os supercondutores com óxido de ferro ainda são inferiores aos com óxido de cobre.

No entanto, a ultrapassagem do limite de 40K previsto pela teoria clássica, torna evidente que os supercondutores de compostos de ferro não são bem descritos pela teoria clássica.

O óxido de ferro contendo samarium abre nova perspectiva para os estudos sobre a origem da supercondutividade com temperatura acima de 40K.

Está interessado no assunto? Então consulte:

1- Chen, X. H. et al. Superconductivity at 43 K in SmFeAsO1-xFx. Nature 453, 761–762 (2008).

2- Kamihara, Y., Watanabe, T., Hirano, M. & Hosono, H. Iron-based layered superconductor La[O1-xFx]FeAs (x = 0.05–0.12) with Tc = 26 K. J. Am. Chem. Soc. 130, 3296–3297 (2008).

OBS: A figura faz parte do trabalho da equipe do Chen e foi publicada na Nature China de 18 de junho de 2008.