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SUPERCONDUTIVIDADE: Alta Temperatura 2

quarta-feira, 16 de julho de 2008

Continuam efervescentes as pesquisas experimentais por materiais que apresentem o efeito de supercondução de corrente elétrica em temperaturas cada vez mais elevadas.

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

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SUPERCONDUTIVIDADE : Quase Cem Anos

terça-feira, 3 de junho de 2008

Nas ligações elétricas em nossas casas são usados fios feitos com metais – em geral o cobre, mas pode ser o alumínio – por que, sendo bons condutores de eletricidade em temperatura ambiente, os fios metálicos apresentam a melhor relação custo benefício nesse processo.

O matemático e físico alemão Georg Simon Ohm (1787-1854) estudou experimentalmente a condução elétrica nos fios metálicos em temperatura ambiente e, em 1827, estabeleceu que:

1- a razão entre a tensão elétrica V e a corrente elétrica i no condutor metálico é uma constante característica do circuito, a qual chamou de resistência elétrica: R = V/i.

2- cada material pode ser caracterizado pela resistividade (letra grega rô), que está relacionada com a resistência R através da expressão:

na qual constam o comprimento L e a área transversal A do fio.

Ainda no século XIX, os pesquisadores já haviam observado que a resistência elétrica dos metais vai diminuindo conforme a temperatura também diminui.

Em 1908, o físico alemão Heike Kammerlingh Onnes (1853-1926) consegue desenvolver um complexo processo de criogenia que liquefaz o gás hélio quando atinge a temperatura T = – 269 graus Celsius ou 4,2 Kelvin.

Em 1911, Onnes começa a utilizar o hélio líquido para observar o comportamento elétrico de várias substâncias com a diminuição da temperatura, pois ele supunha que deveria haver uma temperatura limite abaixo da qual a resistência elétrica daquele metal atingiria o menor valor ou seria anulada e isso permitiria a melhor condução de eletricidade.

Não havia concordância com essa suposição, pois o matemático e físico escocês William Thomson, o Lord Kelvin (1824-1907) imaginava que em temperaturas muito baixas os condutores de carga elétrica – os elétrons, partículas atômicas identificadas em 1897, pelo físico inglês Joseph John Thomson (1856-1940) – congelariam.

O primeiro resultado de Onnes foi com o mercúrio, Hg – substância metálica – e para a sua surpresa, o que aconteceu foi completamente diferente do que ele imaginara: enquanto a temperatura diminuía até pouco acima de 4,2K, a resistência também diminuía conforme se esperava, mas quando o Hg atingiu a temperatura de 4,2K, a resistência simplesmente despencou para zero, conforme mostra o gráfico da resistência em função da temperatura medida em Kelvin, feito com as medidas realizadas pelo próprio Onnes. Diante disso, Onnes registrou: “Abaixo da temperatura de 4,2K, o mercúrio passou para um novo estado com extraordinárias características elétricas, o qual pode ser chamado de estado supercondutor”.

Assim nasce um novo campo de pesquisa para melhor conhecermos a natureza: em princípio todos os materiais podem apresentar a propriedade de supercondução abaixo de certa temperatura crítica específica para cada material.

A compreensão dos conceitos de resistência e resistividade elétrica e a descrição teórica da supercondutividade só foram adequadamente desenvolvidas com os conceitos da física quântica, pois é proveniente do comportamento coletivo dos átomos dos materiais, impossível de ser explicado com os conceitos da física clássica.

Durante mais de 60 anos esse conhecimento ficou hibernando nos laboratórios e nas bibliotecas das universidades, porque a supercondutividade dos materiais conhecidos só se manifestava para temperaturas críticas abaixo de 4,2K.

Essa limitação inviabilizou a sua utilização tecnológica, pois para manter o material com essa temperatura era muito dispendioso, tanto pelo custo do hélio líquido, quanto pelo sofisticado isolamento térmico que deveria envolver o material.

O grande desafio estava em identificar algum novo material, ou alguma modificação nos materiais conhecidos, que apresentasse a supercondutividade em temperatura crítica mais elevada, se possível até mesmo em temperatura ambiente.

Isso só aconteceu em 1987, com o surgimento das cerâmicas feitas em laboratório que apresentam supercondutividade em temperaturas críticas de 77K – a temperatura do nitrogênio líquido (ver comentário em postagem anterior: Supercondutores Cerâmicos – 20 Anos).

Agora, com custo inferior a 10% do custo do hélio líquido e menor custo no isolamento térmico, já é possível viabilizar o aproveitamento desse fenômeno, como já estão fazendo com eletroímãs em regime supercondutor, além do projeto de computador com todas os seus circuitos elétricos funcionando como supercondutor.

Nós ainda não estamos convivendo com as inovações provenientes dos materiais supercondutores.

Porém os atuais avanços tecnológicos estão aproximando esses materiais do nosso dia-a-dia.

Por isso continuarei a escrever sobre esse assunto.

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