miniatura|Um supercondutor de alta temperatura levitando sobre ímãs permanentes. O efeito Meissner participa da interação magnética ao expulsar o campo do interior supercondutor. Nos supercondutores do tipo II usados nessas demonstrações, o aprisionamento de vórtices magnéticos em defeitos do material também estabiliza a levitação.
A supercondutividade é um conjunto de propriedades físicas observadas nos supercondutores, materiais nos quais a resistência elétrica é exatamente nula e os campos magnéticos são expulsos do material. Ao contrário de um condutor elétrico metálico comum, cuja resistência diminui gradualmente à medida que a temperatura é reduzida, mesmo nas proximidades do zero absoluto, um supercondutor tem uma temperatura crítica característica abaixo da qual sua resistência cai abruptamente para zero. Uma corrente elétrica que percorre um circuito fechado de fio supercondutor pode persistir indefinidamente sem uma fonte de energia. Reimpresso em
O fenômeno da supercondutividade foi descoberto em 1911 pelo físico neerlandês Heike Kamerlingh Onnes. Assim como o ferromagnetismo e as linhas espectrais atômicas, a supercondutividade é um fenômeno que só pode ser explicado pela mecânica quântica. Uma de suas características é o efeito Meissner, a expulsão do campo magnético do interior do supercondutor quando o material passa para o estado supercondutor. A ocorrência desse efeito mostra que a supercondutividade não pode ser entendida simplesmente como a idealização da condutividade perfeita na física clássica.
Em 1986, descobriu-se que alguns materiais cupratos cerâmicos com estrutura de perovskita têm temperatura crítica superior a 35 K, cerca de −238 °C. Pouco depois, Chu Ching-wu constatou que a substituição do lantânio por ítrio, formando YBCO, elevava a temperatura crítica a 92 K, cerca de −181 °C. Isso permitia utilizar nitrogênio líquido como refrigerante. Uma temperatura de transição tão alta não pode ser explicada pela teoria dos supercondutores convencionais, e esses materiais passaram a ser chamados de supercondutores de alta temperatura. O nitrogênio líquido, disponível a baixo custo, entra em ebulição a 77 K, cerca de −196 °C. A existência de supercondutividade acima dessa temperatura tornou experimentos e aplicações menos difíceis do que aqueles que exigem temperaturas ainda mais baixas.
História
miniatura|Cronologia dos materiais supercondutores. Há interrupções nas escalas dos dois eixos. As cores e símbolos distinguem classes de materiais: círculo verde-escuro, BCS; círculo verde, super-hidretos BCS; losango azul, cupratos; quadrado amarelo, materiais à base de pnictogênios de ferro; estrela verde-clara, férmions pesados; triângulo invertido lilás, supercondutores orgânicos; triângulo invertido roxo, materiais à base de fulerenos; triângulo vermelho, alótropos do carbono; estrela rosa de seis pontas, materiais à base de níquel; losango azul-violáceo, supercondutores kagome; pentágono cinza, rutenato de estrôncio. NdSrNiO deve ser lido como Sr0,2Nd0,8NiO2. miniatura|Heike Kamerlingh Onnes, à direita, descobridor da supercondutividade. À sua esquerda estão Paul Ehrenfest, Hendrik Lorentz e Niels Bohr. miniatura|Liquefator de hélio usado por Kamerlingh Onnes e sua equipe nos experimentos de baixas temperaturas em Leiden.
A supercondutividade foi descoberta no mercúrio sólido em 8 de abril de 1911 por Heike Kamerlingh Onnes e sua equipe em Leiden, da qual participaram Gilles Holst, Cornelis Dorsman e Gerrit Jan Flim. O grupo estudava a resistência do mercúrio a temperaturas criogênicas usando como refrigerante o hélio líquido, produzido havia pouco tempo. À temperatura de 4,2 K, eles observaram que a resistência desaparecia abruptamente. No mesmo experimento, foi observada também a transição superfluida do hélio a 2,2 K, sem que seu significado fosse percebido. A data e as circunstâncias exatas da descoberta só foram reconstruídas um século depois, quando foi encontrado o caderno de anotações de Onnes. Nas décadas seguintes, a supercondutividade foi observada em outros materiais. Em 1913, descobriu-se que o estanho e o chumbo se tornam supercondutores a 3,8 K e 7 K, respectivamente. Em 1941, verificou-se que o nitreto de nióbio se torna supercondutor a 16 K.
O estudo da causa e do funcionamento da supercondutividade avançou em 1933, quando Walther Meißner e Robert Ochsenfeld descobriram que os supercondutores expulsavam campos magnéticos aplicados, fenômeno que recebeu o nome de efeito Meissner. Em 1935, Fritz e Heinz London mostraram que o efeito Meissner decorre da minimização da energia livre termodinâmica eletromagnética transportada pela corrente supercondutora.
Equações constitutivas de London O primeiro modelo teórico concebido para a supercondutividade era inteiramente clássico e é resumido pelas equações constitutivas de London. Ele foi proposto pelos irmãos Fritz e Heinz London em 1935, pouco depois da descoberta da expulsão dos campos magnéticos pelos supercondutores. As equações explicam o efeito Meissner, no qual o campo magnético interno decai exponencialmente quando o material cruza o limiar de supercondutividade. A equação de London permite obter a dependência do campo magnético no interior do supercondutor em função da distância até a superfície.
As duas equações constitutivas de London para um supercondutor são:
A primeira equação decorre da segunda lei de Newton aplicada aos elétrons supercondutores.
Teorias convencionais na década de 1950 Na década de 1950, físicos da física da matéria condensada chegaram a uma explicação da supercondutividade "convencional" por meio de duas teorias, a teoria fenomenológica de Ginzburg-Landau, de 1950, e a teoria microscópica BCS, de 1957.
Em 1950, Lev Landau e Vitaly Ginzburg formularam a teoria fenomenológica de Ginzburg-Landau para a supercondutividade. A teoria combinava a teoria de Landau das transições de fase de segunda ordem com uma equação de onda semelhante à equação de Schrödinger e explicava propriedades macroscópicas dos supercondutores. Alexei Alexeevich Abrikosov mostrou que a teoria de Ginzburg-Landau prevê a divisão dos supercondutores nas duas categorias hoje chamadas de tipo I e tipo II. Abrikosov e Ginzburg receberam o Nobel de Física de 2003 por seus trabalhos. Landau havia recebido o prêmio de 1962 por outros trabalhos e morreu em 1968. A extensão quadridimensional da teoria de Ginzburg-Landau, o modelo de Coleman-Weinberg, tem aplicações em teoria quântica de campos e cosmologia.
Também em 1950, Maxwell e Reynolds e seus colaboradores descobriram que a temperatura crítica de um supercondutor depende da massa isotópica do elemento que o constitui. A descoberta apontava para a interação entre elétrons e fônons como mecanismo microscópico da supercondutividade.
A teoria microscópica completa da supercondutividade foi proposta em 1957 por John Bardeen, Leon Neil Cooper e John Robert Schrieffer. A teoria BCS explicava a corrente supercondutora como um superfluido de pares de Cooper, pares de elétrons que interagem por meio da troca de fônons. Os três autores receberam o Nobel de Física de 1972 por esse trabalho.
Em 1958, Nikolai Bogoliubov mostrou que a função de onda BCS, originalmente obtida por um argumento variacional, podia ser derivada por meio de uma transformação canônica do hamiltoniano eletrônico. Em 1959, Lev Gor'kov mostrou que a teoria BCS se reduz à teoria de Ginzburg-Landau nas proximidades da temperatura crítica.
Generalizações da teoria BCS para supercondutores convencionais formam a base para a compreensão da superfluidez, pois pertencem à mesma classe de universalidade da transição lambda. A extensão em que essas generalizações podem ser aplicadas aos supercondutores não convencionais ainda é discutida.
Nióbio A primeira aplicação prática da supercondutividade surgiu em 1954, com a invenção do criotron por Dudley Allen Buck. Dois supercondutores com valores muito diferentes de campo magnético crítico são combinados para produzir uma chave rápida e simples destinada a elementos de computador.
Pouco depois de descobrir a supercondutividade em 1911, Kamerlingh Onnes tentou construir um eletroímã com enrolamentos supercondutores, mas verificou que campos magnéticos relativamente fracos destruíam a supercondutividade dos materiais que estudava. Em 1955, G. B. Yntema conseguiu construir um pequeno eletroímã de núcleo de ferro, com campo de 0,7 tesla, usando enrolamentos de fio supercondutor de nióbio. Em 1961, J. E. Kunzler, E. Buehler, F. S. L. Hsu e J. H. Wernick descobriram que, a 4,2 K, o nióbio-estanho, composto de três partes de nióbio para uma de estanho, podia suportar uma densidade de corrente superior a 100.000 amperes por centímetro quadrado em um campo magnético de 8,8 tesla. A liga era quebradiça e difícil de fabricar, mas o nióbio-estanho mostrou-se útil para produzir campos magnéticos de até 20 tesla.
Em 1962, T. G. Berlincourt e R. R. Hake descobriram que ligas mais dúcteis de nióbio e titânio eram adequadas para aplicações de até 10 tesla. A produção comercial de fio supercondutor de nióbio-titânio começou logo depois na Westinghouse Electric Corporation e na Wah Chang Corporation. Embora o nióbio-titânio tenha propriedades supercondutoras inferiores às do nióbio-estanho, tornou-se o material mais usado em superímãs, em grande parte por sua alta ductilidade e facilidade de fabricação. Nióbio-estanho e nióbio-titânio passaram a ser empregados em equipamentos médicos de ressonância magnética, ímãs de deflexão e focalização de grandes aceleradores de partículas e outras aplicações. O Conectus, consórcio europeu de supercondutividade, estimou que, em 2014, a atividade econômica mundial dependente da supercondutividade somava cerca de cinco bilhões de euros, dos quais aproximadamente 80% correspondiam a sistemas de ressonância magnética.
Efeito Josephson Em 1962, Brian Josephson previu teoricamente que uma supercorrente poderia fluir entre dois supercondutores separados por uma fina camada isolante. No ano seguinte, P. W. Anderson e J. M. Rowell observaram em junções de estanho e chumbo separadas por uma fina barreira de óxido uma corrente de tunelamento compatível com a corrente contínua prevista por Josephson. O fenômeno, chamado de efeito Josephson, é explorado em dispositivos supercondutores como os SQUIDs. Ele permite algumas das medições mais precisas do quantum de fluxo magnético Φ0 = h/(2e), em que h é a constante de Planck. Em conjunto com a resistividade do efeito Hall quântico, isso permite uma medição precisa da constante de Planck. Josephson recebeu o Nobel de Física de 1973 por esse trabalho.
Em 2008, foi proposto que o mesmo mecanismo responsável pela supercondutividade poderia produzir, em alguns materiais, um estado de superisolante, com resistência elétrica quase infinita. O desenvolvimento e estudo, em 2020, de um condensado de Bose-Einstein supercondutor sugeriu uma "transição suave" entre os regimes de condensado de Bose-Einstein e Bardeen-Cooper-Schrieffer.
Materiais bidimensionais Foram relatados diferentes tipos de supercondutividade em dispositivos produzidos com materiais monocamada. Alguns desses materiais podem alternar entre comportamentos condutores, isolantes e outros estados.
A torção das camadas cria um padrão moiré de células hexagonais que se comportam como átomos e abrigam elétrons. Nesse ambiente, os elétrons movem-se devagar o bastante para que suas interações coletivas determinem seu comportamento. Quando há um único elétron por célula, os elétrons assumem uma disposição antiferromagnética. Cada elétron pode ter posição e orientação magnética preferenciais, e os campos magnéticos intrínsecos tendem a alternar entre orientações opostas. A adição de elétrons permite o surgimento de supercondutividade pela formação de pares de Cooper. Fu e Schrade propuseram que interações entre elétrons permitiam os estados antiferromagnético e supercondutor.