Se os físicos forem capazes de atingir a meta
da supercondutividade a temperatura ambiente em um material fácil de moldar em
fios, novas e importantes tecnologias surgiriam logo em seguida.
Os materiais
podem ser divididos em duas categorias com base na sua capacidade de conduzir
eletricidade. Metais, como cobre e prata, permitem que os elétrons se movam
livremente transportando carga elétrica. Isolantes, tais como a borracha ou
madeira, mantém seus elétrons com força e não permitem que uma corrente
elétrica flua.
Novas técnicas de laboratório para resfriar
materiais a temperaturas próximas do zero absoluto (-273 °C) foram
desenvolvidas por físicos no começo do século 20, o que deu início a uma
investigação sobre como a capacidade de conduzir eletricidade muda em condições
tão extremas.
Em alguns
elementos simples, como mercúrio e chumbo, percebeu-se algo notável - abaixo de
uma determinada temperatura estes materiais podem conduzir eletricidade sem
resistência.
Nas décadas posteriores
a esta descoberta os cientistas encontraram comportamento idêntico em milhares
de compostos, de cerâmica à nanotubos de carbono.
Vamos pensar
neste estado da matéria não como um metal ou um isolador, mas uma terceira
categoria exótica, um supercondutor.
Um
supercondutor conduz eletricidade perfeitamente, isto significa que uma
corrente elétrica em um fio supercondutor continuaria a fluir em círculos por bilhões
de anos, nunca se degradando ou se dissipando.
Elétrons na pista
rápida
Em nível
microscópico os elétrons em um supercondutor se comportam de forma muito
diferente daqueles em um metal normal.
Pares de
elétrons supercondutores se unem, o que lhes permite viajar com facilidade a
partir de uma extremidade à outra de um material.
O efeito é um
pouco como uma faixa exclusiva em uma rodovia movimentada. Elétrons individuais
ficam presos no trânsito, esbarram em outros elétrons e obstáculos enquanto
fazem seu caminho. Elétrons emparelhados, por outro lado, tem prioridade para
viajar na pista rápida através de um material, capaz de evitar o
congestionamento.
Supercondutores
já possuem aplicações fora do laboratório em tecnologias como a Ressonância
Magnética (MRI). Aparelhos de ressonância magnética utilizam supercondutores
para gerar um grande campo magnético que dá aos médicos uma forma não invasiva
para obter imagem do interior do corpo de um paciente.
Aparelho RMI
Ímãs supercondutores também possibilitaram a
recente detecção do bóson de Higgs no CERN, dobrando e focando
feixes de partículas em colisão.
Uma propriedade interessante e potencialmente
útil dos supercondutores surge quando eles são colocados perto de um ímã forte.
O campo magnético faz com que as correntes elétricas
fluam espontaneamente sobre a superfície de um supercondutor, que dão origem à
sua própria, contrariando o campo magnético. O efeito é que o supercondutor
levita acima do ímã, suspenso no ar por uma força magnética invisível.
O que impede
uma utilização mais generalizada destes materiais é o fato de que os
supercondutores só operam em temperaturas muito baixas.
Nos elementos
simples, por exemplo, a supercondutividade desaparece em apenas 10 K, ou -263 °C.
Em compostos mais complexos, como o óxido de ítrio bário cobre (YBa2Cu3O7),
a supercondutividade pode persistir a temperaturas mais elevadas, até 100 K
(-173 °C).
Embora isso seja
uma melhoria em relação aos elementos simples, ainda é muito mais frio do que a
noite mais fria do inverno na Antártida.
Cientistas
sonham em encontrar um material que as propriedades supercondutoras possam ser
usadas em temperatura ambiente, mas é uma tarefa desafiadora.
O aumento da temperatura
tende a destruir a cola que une os elétrons em pares supercondutores, o que, em
seguida, leva o material de volta ao seu estado metálico chato. Um dos grandes
desafios é o fato de que nós ainda não entendemos muito sobre esta cola, exceto
em alguns casos limitados.
De superátomo para o supercondutor
Uma nova pesquisa da Universidade do Sul da
Califórnia deu um novo passo no sentido de melhorar a nossa compreensão de como
a supercondutividade surge.
Em vez de estudar
a supercondutividade em amostras volumétricas grandes, como fios, Vitaly Kresin
e seus colaboradores conseguiram isolar e examinar pequenos aglomerados de
algumas dezenas de átomos de alumínio de cada vez.
Estes pequenos aglomerados de átomos podem atuar
como um “superátomo”, compartilhando elétrons de uma maneira que imita um único
átomo gigante.
O que é
surpreendente é que as medições destes clusters revelam o que pode ser a
assinatura do emparelhamento do elétron persistindo por todo o caminho até 100
K (-173 °C).
Esta temperatura
ainda é muito baixa, mas é 100 vezes maior do que a temperatura supercondutora
de um pedaço de fio de alumínio.
Por que um
pequeno punhado de átomos superconduz a uma temperatura muito mais elevada do
que os milhões de átomos que formam um fio?
Os físicos
têm algumas ideias, mas o efeito é muito pouco explorado, e poderia revelar-se
uma forma interessante de evolução na busca da supercondutividade em altas
temperaturas.
Trem MagLev
Com a supercondutividade
em temperatura ambiente, os dispositivos que usam eletricidade se tornariam
consideravelmente mais eficientes e consumiriam menos energia. O transporte de
eletricidade por longas distâncias se tornaria muito mais fácil, o que é
particularmente útil para aplicações de energias renováveis - e alguns
propuseram cabos supercondutores gigantes que ligariam a Europa com fazendas de
energia solar no norte da África.
O fato de que
os supercondutores levitam acima de um ímã forte também cria possibilidades
eficientes, trens de ultra-alta velocidade que flutuam acima de uma faixa
magnética, muito parecido com prancha de Marty McFly em “De Volta para o Futuro”.
Engenheiros
japoneses experimentaram a substituição das rodas de um trem com grandes
supercondutores que seguram as carruagens alguns centímetros acima da pista.
A ideia
funciona, em princípio, mas sofre do fato de que os trens precisam levar
tanques dispendiosos de hélio líquido com eles, a fim de manter frios os supercondutores.
Muitas
tecnologias de supercondutores irão provavelmente permanecer na prancheta, ou
muito caras para implementar, a menos que um supercondutor a temperatura
ambiente seja descoberto.
É apenas
possível que os avanços feitos pelo grupo de Kresin pode marcar esta jornada.
