Em 1911, o físico Heike Kamerlingh Onnes pretendia reduzir a temperatura do mercúrio para o mais próximo possível do zero absoluto. Ele esperava ganhar um desacordo com Lord Kelvin, que pensava que os metais iriam parar de conduzir eletricidade completamente em temperaturas extremamente baixas. Manipulando cuidadosamente um conjunto de tubos de vidro, Kamerlingh Onnes e sua equipe baixaram a temperatura do mercúrio para 3 K (-454 F). De repente, o mercúrio conduzia eletricidade com resistência zero. Kamerlingh Onnes acabara de descobrir a supercondutividade.

Essa única descoberta levou a uma investigação mundial que durou um século. Embora tenha resolvido um debate científico, criou muitos mais. O Escritório de Ciência do Departamento de Energia e seus predecessores passaram décadas apoiando cientistas que investigam o mistério de por que a supercondutividade ocorre em uma variedade de circunstâncias.

A resposta a esta pergunta traz grandes oportunidades para o desenvolvimento científico e tecnológico. Cerca de seis por cento de toda a eletricidade distribuída nos EUA é perdida na transmissão e distribuição. Porque supercondutores não perdem corrente enquanto conduzem eletricidade, eles poderiam permitir redes de energia ultraeficientes e chips de computador incrivelmente rápidos. Enrolá-los em bobinas produz campos magnéticos que poderiam ser usados ​​para geradores altamente eficientes e trens de levitação magnética de alta velocidade. Infelizmente, desafios técnicos com supercondutores tradicionais e de "alta temperatura" restringem seu uso.

"Na medida em que Tesla e Edison, introduzindo o uso da eletricidade, revolucionaram nossa sociedade, a supercondutividade ambiente iria revolucioná-lo mais uma vez, "disse J.C. Séamus Davis, um físico que trabalha com o Center for Emergent Superconductivity, um DOE Energy Frontier Research Center.

O como e por que da supercondutividade

A descoberta de Kamerlingh Onnes desencadeou uma enxurrada de atividades. Apesar de suas grandes visões, a maior parte do que os cientistas descobriram apenas reforçou as limitações dos supercondutores.

Uma das primeiras grandes descobertas veio quase meio século após a descoberta inicial de Kamerlingh Onnes. Embora a maioria dos pesquisadores pensasse que a supercondutividade e o magnetismo não poderiam coexistir, Alexei A. Abrikosov propôs supercondutores "Tipo II" que podem tolerar campos magnéticos em 1952. Abrikosov continuou sua pesquisa no Laboratório Nacional de Argonne (ANL) do DOE e mais tarde ganhou o Prêmio Nobel de Física por suas contribuições.

O próximo grande salto veio em 1957, quando John Bardeen, Leon Cooper, e John Robert Schrieffer propôs a primeira teoria de por que ocorre a supercondutividade. A teoria deles, tornado possível pelo apoio do antecessor do DOE, a Comissão de Energia Atômica, também ganhou o Prêmio Nobel de Física.

Sua teoria contrasta como alguns metais funcionam em condições normais com como agem em temperaturas extremamente baixas. Normalmente, átomos são embalados juntos em metais, formando reticulados regulares. Semelhante aos raios e hastes dos Tinkertoys, os íons carregados positivamente dos metais são ligados entre si. Em contraste, elétrons livres carregados negativamente (elétrons não ligados a um íon) movem-se independentemente através da rede.

Mas em temperaturas extremamente baixas, a relação entre os elétrons e as mudanças da rede circundante. Uma visão comum é que as cargas negativas dos elétrons atraem íons positivos fracamente. Como alguém puxando o meio de um elástico, esta atração fraca puxa levemente os íons positivos para fora do lugar na rede. Mesmo que o elétron original já tenha passado, os íons positivos agora deslocados atraem levemente outros elétrons. Perto do zero absoluto, a atração dos íons positivos faz com que os elétrons sigam o caminho dos que estão à sua frente. Em vez de viajar sozinho, eles se acasalam em pares. Esses pares fluem facilmente através do metal sem resistência, causando supercondutividade.

Descobrindo todos os novos supercondutores

Infelizmente, todos os supercondutores que os cientistas encontraram funcionavam apenas perto do zero absoluto, a temperatura mais fria teoricamente possível.

Mas em 1986, Georg Bednorz e K. Alex Müller, da IBM, descobriram materiais à base de cobre que se tornam supercondutores a 35 K (-396 F). Outros cientistas aumentaram a temperatura supercondutora desses materiais para cerca de 150 K (-190 F), permitindo que os pesquisadores usem nitrogênio líquido bastante comum para resfriá-los.

Na última década, pesquisadores no Japão e na Alemanha descobriram mais duas categorias de supercondutores de alta temperatura. Supercondutores à base de ferro existem em condições semelhantes aos à base de cobre, enquanto os baseados em hidrogênio só existem em pressões mais de um milhão de vezes a da atmosfera da Terra.

Mas as interações entre os pares de elétrons e íons na estrutura metálica que Bardeen, Tanoeiro, e Schrieffer descreveu não poderia explicar o que estava acontecendo em supercondutores de alta temperatura à base de cobre e ferro.

"Fomos lançados em um dilema, "disse Peter Johnson, um físico do Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL) e diretor de seu Centro de Supercondutividade Emergente. "Esses novos materiais desafiaram todas as nossas ideias existentes sobre onde procurar novos supercondutores."

Além de ser cientificamente intrigante, este enigma abriu um novo reino de aplicações potenciais. Infelizmente, a indústria só pode usar supercondutores de "alta temperatura" para aplicações altamente especializadas. Eles ainda são muito complexos e caros para usar em situações cotidianas. Contudo, descobrir o que os torna diferentes dos tradicionais pode ser essencial para o desenvolvimento de supercondutores que funcionam à temperatura ambiente. Porque eles não exigiriam equipamento de resfriamento e poderiam ser mais fáceis de trabalhar, supercondutores de temperatura ambiente poderiam ser mais baratos e práticos do que os disponíveis hoje.

Uma característica compartilhada

Vários conjuntos de experimentos apoiados pelo Office of Science estão nos deixando mais perto de descobrir o que, se alguma coisa, supercondutores de alta temperatura têm em comum. As evidências sugerem que as interações magnéticas entre os elétrons podem ser essenciais para explicar por que ocorre a supercondutividade em alta temperatura.

Todos os elétrons têm spin, criando dois pólos magnéticos. Como resultado, elétrons podem agir como pequenos ímãs de geladeira. Em condições normais, esses pólos não são orientados de uma maneira particular e não interagem. Contudo, os supercondutores à base de cobre e ferro são diferentes. Nestes materiais, os spins em locais de ferro adjacentes têm pólos norte e sul que alternam direções - orientados para o norte, Sul, norte, sul e assim por diante.

Um projeto apoiado pelo Center for Emergent Superconductivity examinou como a ordenação desses pólos magnéticos afetava suas interações. Os cientistas teorizaram que, como os pólos magnéticos já estavam apontando em direções opostas, seria mais fácil do que o normal para os elétrons se emparelharem. Para testar esta teoria, eles correlacionaram a força das ligações entre os elétrons (a força dos pares de elétrons) e a direção de seu magnetismo. Com esta técnica, eles forneceram evidências experimentais significativas da relação entre a supercondutividade e as interações magnéticas.

Outros experimentos em vários laboratórios nacionais do DOE reforçaram ainda mais essa teoria. Essas observações atenderam às expectativas dos cientistas sobre o que deveria ocorrer se a supercondutividade e o magnetismo estivessem conectados.

Os pesquisadores da ANL observaram um supercondutor à base de ferro passar por várias fases antes de atingir um estado supercondutor. Enquanto os cientistas resfriavam o material, os átomos de ferro passaram de uma estrutura quadrada para uma retangular e depois de volta para uma quadrada. Pelo caminho, houve uma grande mudança nos pólos magnéticos dos elétrons. Embora fossem originalmente aleatórios, eles assumiram uma ordem específica antes de atingir a supercondutividade.

No Laboratório Ames do DOE, os pesquisadores descobriram que adicionar ou remover elétrons de um material supercondutor à base de ferro mudava a direção em que a eletricidade fluía com mais facilidade. Pesquisadores do BNL observaram que a supercondutividade e o magnetismo não apenas coexistem, mas na verdade flutuam juntos em um padrão regular.

Infelizmente, A natureza complexa das interações de elétrons torna difícil apontar exatamente o papel que desempenham na supercondutividade.

A pesquisa no BNL descobriu que enquanto os cientistas resfriavam um material à base de ferro, as direções dos spins do elétron e sua relação mútua mudaram rapidamente. Os elétrons trocaram de parceiros logo antes de o material se tornar supercondutor. De forma similar, pesquisas no ANL mostraram que elétrons em supercondutores baseados em ferro produzem "ondas" de magnetismo. Porque algumas das ondas magnéticas se cancelam, apenas metade dos átomos demonstra magnetismo em qualquer momento.

Essas descobertas estão fornecendo um novo insight sobre por que os supercondutores se comportam dessa maneira. A pesquisa respondeu a muitas perguntas sobre eles, apenas para trazer novos. Embora os laboratórios tenham percorrido um longo caminho desde o equipamento soprado à mão de Kamerlingh Onnes, os cientistas continuam a debater muitos aspectos desses materiais únicos.