A exigência de baixas temperaturas na supercondutividade surge das interações mecânicas quânticas subjacentes e das considerações energéticas dentro do material. Aqui estão as principais razões pelas quais a supercondutividade é normalmente observada em temperaturas muito baixas:

1. Superando a energia térmica:
Em temperaturas mais altas, a energia térmica (a energia associada ao movimento aleatório de átomos e elétrons) tende a perturbar a formação e manutenção dos pares de Cooper. Esses pares de Cooper são pares de elétrons que se formam devido a interações atrativas e são responsáveis ​​pelo transporte sem perdas de corrente elétrica em supercondutores. A energia térmica pode quebrar esses pares de Cooper, prejudicando a supercondutividade. À medida que a temperatura diminui, a agitação térmica diminui, tornando mais fácil para os pares de Cooper permanecerem ligados e para a ocorrência de supercondutividade.

2. Interações elétron-fônon:
Nos supercondutores convencionais, a interação entre os elétrons e as vibrações da rede (fônons) desempenha um papel crucial na formação dos pares de Cooper. Essas interações elétron-fônon geram uma força atrativa entre os elétrons, permitindo-lhes superar sua repulsão mútua de Coulomb e formar pares. No entanto, a eficácia destas interações depende da temperatura. Em temperaturas mais altas, as vibrações da rede são mais intensas, levando ao aumento da dispersão de elétrons e à redução das interações entre elétrons e fônons. Este enfraquecimento do acoplamento elétron-fônon torna mais desafiador alcançar a supercondutividade.

3. Teoria BCS e a lacuna energética:
A teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), que fornece a explicação microscópica para a supercondutividade convencional, prevê que o estado supercondutor é caracterizado por um intervalo de energia (Δ) abaixo da energia de Fermi. Esta lacuna de energia representa a quantidade mínima de energia necessária para separar um par de Cooper e excitar o sistema a partir do seu estado fundamental supercondutor. Em temperaturas mais elevadas, as flutuações térmicas podem fornecer energia suficiente para superar esta lacuna energética, levando à destruição da supercondutividade. À medida que a temperatura diminui, as flutuações térmicas tornam-se menos energéticas, tornando mais difícil separar os pares de Cooper e, portanto, aumentando a estabilidade do estado supercondutor.

4. Temperatura Crítica (Tc):
Cada supercondutor tem uma temperatura crítica característica (Tc) acima da qual perde suas propriedades supercondutoras e transita para o estado normal, não supercondutor. Tc representa a temperatura máxima na qual a supercondutividade pode ser sustentada. O valor de Tc varia amplamente entre os diferentes supercondutores, variando de alguns Kelvin (K) a temperaturas mais altas. Quanto maior a temperatura crítica, mais resistente é o supercondutor às rupturas térmicas, permitindo-lhe exibir supercondutividade em temperaturas relativamente mais altas.

Esses fatores explicam coletivamente por que os supercondutores normalmente requerem baixas temperaturas para exibir suas propriedades características. Alcançar a supercondutividade em temperaturas mais altas continua sendo uma área ativa de pesquisa e possui um potencial significativo para diversas aplicações tecnológicas.