segunda-feira, 25 de julho de 2011

Supercondutores de alta temperatura crítica: 25 anos

A revista Nature está publicando um news feature sobre os 25 anos de um dos grandes enigmas da Física da Matéria Condensada atual: os supercondutores de alta temperatura crítica (os chamados high-Tc).

A decoberta de uma classe desses materiais, relatada em um artigo de Julho de 1986 (e que rendeu Prêmio Nobel já no ano seguinte a Johannes Bednorz e Karl Müller), causou uma enorme efervecência na época, hoje apelidada de "o Woodstock da Física". O tópico se popularizou de tal forma que acabou sendo capa de revistas como Time, Veja e inclusive a primeira Superinteressante (Outubro de 1987, na imagem ao lado. Eu ainda tenho essa guardada em casa).

Havia bons motivos para tanta "histeria". Afinal, supercondutores são materiais que conduzem corrente elétrica sem perdas ou aquecimento por efeito Joule uma vez que tem resistividade nula abaixo de uma certa temperatura, denominada temperatura crítica (ou Tc).

Supercondutores "convencionais" são conhecidos desde o início do século passado (a descoberta é creditada a Heike Kamerlingh Onnes, em 1911) mas possuem temperaturas críticas baixas, da ordem de 5 a 20 graus Kelvin (K) (-270 a -250 C). Ou seja, operam apenas em refrigeradores de Hélio líquido (a temperatura de ebulição do Hélio fica em torno de 4.2K ou -269 C), o que torna os custos de se ter um "fio supercondutor" bastante elevados. Assim, havia (e há) o interesse em descobrir materiais com Tcs mais altas. O "Santo Graal" seria um material que fosse supercondutor à temperatura ambiente, com aplicações tecnológicas imediatas.

Em 1986, Bednorz e Müller descobriram cerâmicas supercondutoras com Tcs da ordem de 80K (ou -190 C). Ainda são temperaturas baixas comparadas à temperatura ambiente mas altas o suficiente para que esses materiais sejam supercondutores à temperatura do Nitrogênio líquido (77K), muito mais barato do que Hélio. Imaginou-se na época desse 'Woodstock' que a descoberta de supercondutores com Tcs da ordem de 300K (temperatura ambiente) seria apenas uma questão de tempo, o que nos levaria para uma "era de Aquário" onde as linhas de transmissão operariam sem perdas, trens ultrarápidos levitariam sobre os trilhos e poderíamos armazenar altas quantidades de energia por meses e até anos em "reservatórios" supercondutores (como reservatórios de água). Quem dera...

Passados 25 anos de pesquisas no assunto, ainda não temos esse "Santo Graal" nas mãos. Vários compostos supercondutores com temperaturas críticas acima de 77 K foram descobertos (vide gráfico abaixo) mas o que temos são mais perguntas do que respostas. O cenário hoje é que ainda não há um consenso sobre como (e porquê) esses materiais se tornam supercondutores. Mais precisamente, não há uma teoria única que descreva o comportamento microscópico desses materiais, algo que ocorreu com os materiais de baixa Tc com a formulação da teoria BCS por John Bardeen, Leon Cooper and Robert Schrieffer em 1957 (pela qual ganharam o Prêmio Nobel em 1972).

No caso de supercondutores de alta Tc, ao contrário, existem várias teorias, cada qual defendida a unhas e dentes por seus simpatizantes. Mesmo a descrição teórica dos mecanismos básicos que levam ao aparecimento da supercondutividade ainda são motivos de controvérsia. Ouvi meu antigo supervisor dizer uma vez que "os high-Tcs são o Vietnã dos Físicos teóricos". Existem várias razões para isso, mas elas merecem um post à parte.

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