Imagem: Mystery in Space, #56
Um supercondutor que funciona à temperatura ambiente foi considerado impossível por muito tempo, mas cientistas da USC descobriram uma família de materiais que pode torná-lo realidade.
Uma
equipe liderada por Vitaly
Kresin, encontrou que “super-átomos” de alumínio - conjuntos homogêneos de
átomos - parecem formar pares de Cooper (um dos elementos-chave da
supercondutividade) a temperaturas em torno de 100 K. Apesar de 100 K ainda ser muito frio (-173 °C), este é um enorme aumento
em relação ao metal alumínio que é supercondutor próximo de 1 K.
“Esta pode ser a descoberta de uma nova família
de supercondutores, e levanta a possibilidade de que outros tipos de
super-átomos serão capazes de superconduzir em temperaturas ainda mais quente”, disse Kresin.
O futuro da eletrônica e de transmissão de energia
A
supercondutividade é a capacidade de transmissão de eletricidade sem qualquer
resistência, o que significa que nenhuma energia é perdida na transmissão.
A
razão pela qual o seu laptop esquenta quando você o deixa ligado por um longo
tempo é que a eletricidade encontra resistência ao percorrer os circuitos da
máquina, gerando calor e desperdiçando energia.
Além
das aplicações específicas que os supercondutores já possuem (aparelhos de
ressonância magnética, eletroímãs poderosos que levitam trens, aceleradores de
partículas, sensores ultra-sensíveis de campo magnético etc.), um supercondutor
de temperatura ambiente permitiria aos engenheiros tornar todos os dispositivos
eletrônicos ultraeficientes.
Pares de Cooper: parceiros de dança eletrônica
Pares
de Cooper são dois elétrons que atraem um ao outro, em alguns materiais, sob
certas condições como temperaturas extremamente baixas.
“Imagine que você tem um salão de baile cheio
de pares de dançarinos espalhados aleatoriamente por toda a sala. Seu parceiro
pode ir em busca de uma tigela de ponche, enquanto você está no centro da pista
de dança. Mas seus movimentos são feitos em conjunto - você está em sintonia
com ele”, disse Kresin. “Agora imagine todos
os parceiros de dança mudando a cada poucos momentos. Esta é uma analogia de como
funciona o par de Cooper.”
Quando
os elétrons fluem através de um material, eles se chocam com várias
imperfeições. Essa é a resistência que causa a perda de energia na forma de
calor. Se os elétrons são acoplados em pares de Cooper, essa conexão é forte o
suficiente para mantê-los em curso, independentemente do choque. Pares de
Cooper são os que fazem o trabalho da supercondutividade.
Supercondutividade em super-átomos
Super-átomos
se comportam, de certa forma, como um átomo gigante. Os elétrons fluem dentro
deles em uma estrutura de casca previsível, como se estivesse em uma nuvem de
elétrons de um único átomo. Cascas de elétrons são o resultado de um efeito
quântico. As cascas são orbitais em que os elétrons podem ser encontrados em
torno de um átomo. Elas ocorrem de forma previsível: dois elétrons em torno do
núcleo na órbita mais próximo, oito na próxima órbita mais elevada, 18 no terceiro e assim por
diante.
O
fato de que não são apenas super-átomos partículas sólidas, mas também possuem
um conjunto gigante de camadas eletrônicas, fez os cientistas suspeitarem que
eles possam também apresentar um outro efeito quântico: emparelhamento de Cooper.
Para
testar esta hipótese, os pesquisadores construíram cuidadosamente super-átomos
de alumínio de tamanhos específicos (32-95 átomos) e, em seguida destruíram com um laser a
diferentes temperaturas. Eles gravaram quantos elétrons foram capazes de arrancar
do super-átomo em função da energia do laser.
O
gráfico deve ser uma curva ascendente simples – com o aumento da energia do laser,
mais elétrons são retirados de forma suave proporcional. Para super-átomos contendo
37, 44, 66 e 68 átomos de alumínio, o gráfico mostrou estranhas
saliências indicando que em determinados níveis de energia, os elétrons estavam
resistindo ao ‘esforço’ do laser para removê-los - possivelmente porque o emparelhamento
de Cooper estava ajudando os elétrons a manterem-se unidos um ao outro. A saliência
aparece quando a temperatura diminui ocorrendo em torno de 100 K, dando provas de que os
elétrons estavam formando pares de Cooper.
O futuro dos supercondutores
Super-átomos
que formam pares de Cooper representam uma fronteira inteiramente nova no campo
da supercondutividade. Os cientistas podem explorar a supercondutividade de
vários tamanhos de super-átomos e em vários elementos. “100 Kelvin pode não ser o limite superior de temperatura”, disse Kresin.
Kresin prevê um futuro em que
os circuitos eletrônicos poderiam ser construídos colocando super-átomos em uma
cadeia ao longo de um substrato, permitindo que a eletricidade flua sem
obstáculos ao longo da cadeia.
