Imagem por ressonância magnética médica, geradores de microondas de alta potência, unidades de armazenamento de energia magnética supercondutora, e os solenóides em reatores de fusão nuclear são tecnologias muito diferentes que dependem criticamente da capacidade dos materiais supercondutores de transportar e armazenar grandes correntes elétricas em um espaço compacto sem superaquecer ou dissipar grandes quantidades de energia.

Apesar de suas propriedades extraordinárias, a maioria dos materiais supercondutores apresenta seu próprio conjunto de demandas, como a necessidade de resfriar à temperatura do hélio líquido para ressonâncias magnéticas médicas. Ainda, supercondutores são tão eficientes em comparação com materiais cotidianos como o cobre que o custo de resfriá-los com circuitos criogênicos especiais é insignificante em comparação com a energia economizada ao ser convertida - e, finalmente, desperdiçada - na forma de calor, disse Riccardo Comin, professor assistente de física.

"Quando você está tentando passar uma grande corrente por um circuito convencional como um que é feito de cobre, haverá muita dissipação em calor por causa da resistência elétrica finita do material, "ele diz." E essa energia que simplesmente se perde. Como os supercondutores podem suportar o fluxo de elétrons sem dissipação, isso significa que você pode executar correntes muito grandes, conhecidas como supercorrentes, através de um supercondutor, sem o supercondutor aquecendo até altas temperaturas. "

"Você pode injetar uma corrente em um supercondutor e depois deixá-la fluir, "Comin diz." Então, um supercondutor pode agir basicamente como uma bateria, mas em vez de armazenar energia como uma diferença de voltagem, que é o que você tem em uma bateria de íon de lítio, você armazena energia na forma de uma supercorrente. Então você pode extrair e usar essa corrente, e é o mesmo que puxar a carga de uma bateria. "

O que diferencia um supercondutor de um condutor convencional é que, no ultimo, você tem que aplicar um potencial entre dois pontos diferentes para passar uma corrente, mas no primeiro, você pode apenas colocar em movimento a corrente e, em seguida, remover a tensão, deixe o sistema como está, e haverá uma corrente persistente fluindo pelo material.

Comin explica mais:"Você iniciou uma moção, ou fluxo, de elétrons, que vai persistir para sempre, protegido da dissipação pelas leis da mecânica quântica. É superfluido no sentido de que o fluxo de elétrons não encontra resistência, ou fricção. Mesmo se você remover a fonte inicial que criou esse fluxo, ele continuará inabalável como em um fluido eletrônico sem atrito. "

Esta superfluidez eletrônica é um estado quântico da matéria, então ele se comporta de uma maneira muito exótica, diferente da física clássica, Comin diz. Já está sendo usado em muitas aplicações de alta potência que requerem grandes correntes ou grandes campos magnéticos.

Como os supercondutores podem sustentar correntes muito grandes, eles podem armazenar muita energia em um volume relativamente pequeno. Mas mesmo os materiais supercondutores não podem sustentar correntes elétricas ilimitadas, e eles podem perder suas propriedades especiais acima de uma densidade de corrente crítica, que é superior a 10 mega-amperes por centímetro quadrado para cabos supercondutores de última geração. Por comparação, o cobre pode transportar uma densidade de corrente máxima de 500 amperes por centímetro quadrado, que é o mesmo que a densidade da corrente passada por uma lâmpada de fio de tungstênio de 100 watts.

Embora essas correntes críticas onde a supercondutividade desliga sejam conhecidas, o que acontece em nanoescala dentro do material conforme ele se aproxima dessa condição crítica ainda desconhecida, ainda assim, pode ser a chave para projetar cabos e dispositivos supercondutores melhores, com resiliência ainda maior.

Comin foi um dos três pesquisadores do MIT a ganhar uma bolsa do Programa de Pesquisa para Jovens Investigadores da Força Aérea dos EUA neste outono. Os três anos, $ 450, O prêmio 000 permitirá que Comin faça pesquisas sobre o que acontece com um determinado material supercondutor, Óxido de ítrio, bário e cobre (YBCO) quando é conduzido em grandes correntes.

"Estudar a resposta elétrica de um supercondutor conforme se conduz uma grande corrente através dele é essencial para caracterizar os circuitos supercondutores, mas há muitas informações microscópicas do que está acontecendo dentro do material que ainda não foram reveladas, "ele diz." A física em nanoescala de supercondutores em condições operacionais, ou seja, quando grandes correntes são passadas por eles, é exatamente o que estamos interessados ​​em elucidar. "

"De certa forma, esta é uma nova direção em que não estamos apenas estudando o material em seu estado não perturbado, Digamos, apenas em função da temperatura, mas sem aplicar qualquer tipo de perturbação como uma corrente ou um campo. Agora estamos nos movendo em uma direção em que estudamos o que acontece nos materiais à medida que são conduzidos em condições de grandes correntes, que estão muito próximos daqueles que encontrariam dentro de um dispositivo ou máquina baseado nesses circuitos supercondutores, "Comin explica.

Ao contrário das ligas de nióbio-estanho que requerem resfriamento de hélio líquido (cerca de 4 kelvins) em máquinas de ressonância magnética, Supercondutos YBCO na temperatura um pouco mais alta do nitrogênio líquido. Isso é significativo porque o nitrogênio líquido (cerca de 77 kelvins, ou -320,4 graus Fahrenheit) é mais abundante e consideravelmente mais barato de usar do que o hélio, Comin diz.

Mas há outro preço a pagar. Comparado a um metal convencional ou condutor como o cobre, que é dúctil e facilmente moldado, YBCO é uma cerâmica quebradiça que deve ser fundida em camadas bidimensionais em uma base semelhante às velhas fitas de gravação de cassete.

"Tem uma estrutura em camadas, por isso forma folhas atômicas bidimensionais que são fracamente acopladas entre elas, e é muito diferente de como seria um metal convencional, "Comin diz. Comin estudará o material em seu laboratório no MIT, bem como no National Laboratories, enquanto alta corrente é aplicada a ele próximo ou mesmo abaixo das temperaturas de nitrogênio líquido.

Embora a supercondutividade assuma a temperatura do nitrogênio líquido, como o material está sujeito a campos elétricos cada vez maiores, outros estados eletrônicos, ou fases, como uma onda de densidade de carga, começam a competir com a supercondutividade antes que ela cesse.

"Quando você começa a enfraquecer a supercondutividade, outras fases eletrônicas começam a despertar e competem para assumir o controle do material, ", diz ele. Ele planeja explorar como o equilíbrio muda entre a fase supercondutora e essas outras fases parasitas, já que a supercondutividade enfraquece em altas correntes.

"Essas (outras fases) começam a assumir ou permanecem dormentes?" Comin pergunta. "Em um caso, elétrons querem fluir sem dissipação, e no outro caso, eles estão presos no lugar e não podem se mover, como um carro em um engarrafamento. "

Em vez de serem capazes de se mover livremente como fazem em um supercondutor, sem qualquer dissipação, os elétrons em uma onda de densidade de carga tendem a ficar em algumas regiões e aí permanecer.

"Existem algumas regiões que têm mais elétrons, algumas outras regiões que têm menos elétrons, então, se você tentar visualizar a organização espacial desses elétrons, você vê que meio que balança como uma onda, "Comin explica." Você pode imaginar uma paisagem de ondulações de areia em uma duna. O que leva os elétrons a se organizarem em um estado de superfluido, em vez de formar esses estáticos, padrões semelhantes a ondas não são realmente conhecidos e é o que esperamos descobrir sob as condições críticas em que o supercondutor começa a ceder a essas outras tendências concorrentes. "

O objetivo final deste esforço de pesquisa é elucidar como uma corrente persistente, ou supercorrente, flui em torno de regiões não supercondutoras que hospedam fases concorrentes, quando o último começa a proliferar perto de condições críticas.

"Neste projeto, apoiado pelo Escritório da Força Aérea para Pesquisa Científica, esperamos obter novos insights sobre a física em nanoescala desses dispositivos supercondutores, percepções que podem ser transferidas para futuras tecnologias de supercondutor, "Comin diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.