A descoberta da supercondutividade há mais de um século mudou significativamente o nosso mundo.



A história começou em 1911, quando o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes observou que a resistência elétrica do mercúrio caiu abruptamente para zero quando ele foi resfriado a uma temperatura de cerca de 4 Kelvin (aproximadamente 269°C) – um pouco mais frio que o ponto de ebulição do líquido. hélio.

As aplicações práticas deste efeito notável foram realizadas muito mais tarde, em 1986, quando uma classe de supercondutores de alta temperatura foi descoberta. Esses materiais de alto Tc têm uma temperatura crítica abaixo do ponto de ebulição do nitrogênio líquido, cerca de -196°C, o que reduz a complexidade e o custo de sua operação.

Hoje em dia, as consequências benéficas da descoberta da supercondutividade são impossíveis de superestimar. Este fenómeno entra gradualmente na nossa vida quotidiana, embora o papel único que desempenha não seja facilmente visível.

A persistência de correntes elétricas em materiais supercondutores não implica perdas de energia em circuitos supercondutores, colocando em operação trens Maglev de alta velocidade que utilizam levitação magnética para reduzir o atrito de energia quase a zero.

O fluxo de eletricidade sem resistência abre caminho para promissores acumuladores de energia de resposta rápida (armazenamento de energia magnética supercondutora) e serve como núcleo de dispositivos de imagem por ressonância magnética (amplamente conhecidos como "MRI") que são amplamente utilizados em hospitais e serviços médicos. centros de pesquisa.

A supercondutividade surge como resultado da formação de pares de elétrons unidos por quanta de vibrações da rede (fônons). Em baixas temperaturas, esses pares de Cooper condensam e formam uma superposição coerente de estados, um condensado bosônico, que se move através da rede cristalina sem dispersão, resultando em resistência elétrica zero.

A condensação dos pares de Cooper também leva à expulsão de campos magnéticos do supercondutor – um fenômeno conhecido como efeito Meissner – que não é explicável apenas pela ausência de resistência elétrica. A aversão entre o campo magnético e a supercondutividade é um sentimento mútuo partilhado por ambas as partes, uma vez que o campo magnético destrói o estado supercondutor caso este não consiga repeli-lo através do efeito Meissner.

Os campos magnéticos envolvidos têm uma intensidade da ordem de cem Tesla para certos supercondutores de alto Tc. Em contraste, outros materiais supercondutores não conseguem suportar campos ainda mais fracos, com uma fração de um Tesla.

Para se ter uma ideia da força do campo magnético envolvido, um Tesla é a força do campo magnético em um alto-falante comum. Uma ressonância magnética emprega bobinas magnéticas supercondutoras que geram campos da mesma escala, até 2 Tesla, à medida que a corrente elétrica passa através deles.

Resumindo, sabe-se que a supercondutividade exibida por certos materiais é vulnerável a campos magnéticos fortes.

Agora, chegamos à polêmica questão do trabalho publicado em Physical Review Letters do qual sou coautor:Podemos fazer um supercondutor sem o uso de nenhum material, empregando apenas um campo magnético? Esta questão parece controversa e não particularmente inteligente, dado o que acabamos de descrever até agora.

Primeiro, para obter um estado supercondutor, precisamos de matéria – na forma de pares de cobre. Em segundo lugar, parece que devemos evitar expor este estado a campos magnéticos demasiado fortes, pois estes podem destruir o fluxo supercondutor.

A exigência de não-materialidade significa que somos encorajados a trabalhar com "nada" como nosso... bem, "material". Aqui, “nada” significa o nada mais vazio que podemos alcançar, ou seja, um vácuo. O vácuo, por definição, não contém matéria, nem partículas, nem energia. Aplicar um forte campo magnético ao vácuo parece uma ideia inútil, pois o campo magnético não tem nada a influenciar.

No entanto, o vácuo não está totalmente vazio, graças ao princípio da incerteza de Heisenberg, uma pedra angular da física quântica. O vácuo está agitado com a atividade de partículas virtuais que surgem e desaparecem por breves momentos, formando uma sopa fervente de flutuações quânticas.

Nossa equipe, usando simulações numéricas avançadas de primeiro princípio, demonstrou que um campo magnético suficientemente forte faz com que essas flutuações quânticas se materializem na forma de um sólido. Este sólido parece ser feito de matéria semelhante a vórtices, com vórtices individuais sendo aproximadamente aerodinâmicos ao longo do campo magnético. A existência de tal sólido foi levantada como hipótese no final da década de 1980, faltando antes do nosso trabalho uma prova de primeiro princípio da sua própria existência.

Para adicionar mais perplexidade à nossa descoberta, mencionamos que este sólido exótico também tem características específicas de um líquido:os vórtices oscilam e movem-se, como num líquido, mas permanecem aproximadamente fixos em posições específicas, como num sólido. Ao contrário de um sólido típico, não observamos nenhuma estrutura cristalina em nenhum momento. Ao contrário de um líquido, os constituintes do vórtice deste estranho material não trocam as suas posições espaciais.

Ainda mais intrigante, os resultados da nossa análise implicam fortemente que este estado nascido do vácuo é um... supercondutor. Dito isto, podemos lembrar-nos da parte anterior desta história, onde o campo magnético foi proclamado inimigo da supercondutividade. No entanto, esta última afirmação não pode mais ser aplicada à nossa supercondutividade, que literalmente nasce do nada... pelo mesmo campo magnético.

Provavelmente, tendo declarado essas características estranhas da supercondutividade do vácuo, não é surpresa que essa estranha substância supercondutora de vórtice sólido-líquido - vamos chamá-la de "substância" - também possua outra propriedade, a superfluidez. A superfluidez – uma prima eletricamente neutra da supercondutividade – implica que a substância em questão abriga um componente semelhante a um fluido que é capaz de fluir sem viscosidade.

Embora a supercondutividade e a superfluidez do vácuo tenham sido levantadas por um coautor do presente estudo em 2010, a natureza líquida do estado de vórtice é uma surpresa surpreendente.

Em suma, o estado descoberto é um dos “algo” mais exóticos de todos os tempos. Talvez porque esse “algo” seja criado literalmente do “nada”.

Um leitor curioso pode agora perguntar razoavelmente qual é a força do campo magnético necessária para produzir esta substância. Não é algo que possa ser feito com a ajuda, digamos, de um imã de geladeira. E a partir de quais partículas virtuais são criadas?

Para atingir o estado de vácuo supercondutor, os campos magnéticos devem atingir aproximadamente 0,74×10 ²⁰ Tesla (74 exatesla, sendo um exatesla igual à unidade seguido de 18 zeros). Essa força é muito mais forte do que a encontrada em nosso ímã de geladeira, encontrada em um exame de ressonância magnética ou mesmo criada nos laboratórios mais avançados da Terra. É muito mais forte do que o campo no interior das anãs brancas ou mesmo em torno do início de nêutrons magnetizados mais forte, os magnetares.

Quanto ao conteúdo das partículas, a supercondutividade é alcançada pela condensação de bósons W eletricamente carregados. Ao mesmo tempo, a superfluidez é mantida pelo condensado coexistente de bósons Z neutros.

Neste ponto, pode-se colocar ainda outra questão:se aumentarmos ainda mais o campo magnético, será que estes vórtices se tornariam mais robustos e formariam um cristal? A resposta é negativa. Em vez disso, as nossas simulações revelaram algo ainda mais surpreendente que tem algo a ver com o célebre condensado de Higgs. Este condensado é um bloco de construção do Modelo Padrão que dá massa a partículas como quarks e elétrons e forma o universo ao nosso redor como o conhecemos.

Descobrimos que em um segundo campo magnético crítico mais alto, com força de 260 exatesla, a forma supercondutora do vácuo "derrete" (a temperatura zero!), transitando para outro estado onde o condensado do campo de Higgs desaparece. Este estado de campo alto se assemelha a uma condição em que nosso universo tinha menos de um primeiro picossegundo. A sugestão teórica do desaparecimento do condensado de Higgs num campo magnético forte remonta a meados da década de 1970, apenas encontrada no nosso trabalho muito recentemente.

Nossas descobertas não são apenas uma curiosidade teórica. Conforme hipotetizado em 2021, esses campos fortes podem existir em atmosferas quânticas acima dos horizontes de eventos de buracos negros exóticos e altamente magnetizados. Portanto, o estranho estado supercondutor-superfluido-sólido-líquido do vácuo poderia ter surgido no curso da evolução do nosso universo ou mesmo existir neste exato momento.

No entanto, é outra história – agora, astrofísica.

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Mais informações: M. N. Chernodub et al, Estrutura de fase do vácuo eletrofraco em um campo magnético forte:os resultados da rede, Cartas de revisão física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.111802
Informações do diário: Cartas de revisão física

Maxim Chernodub é Directeur de Recherche CNRS (cientista sênior) no Institut Denis Poisson, Tours, França, líder do grupo de Teoria de Campo. Os interesses de pesquisa de Chernodub incluem teoria quântica de campos, física da matéria condensada e gravidade.