O fenômeno da supercondutividade – parte 1

Começando a tentar cumprir a minha promessa de contribuir de alguma forma com divulgação de ciência (espero que com um mínimo de qualidade), o assunto de hoje é um fenômeno que me interessa bastante, que foi descoberto a mais de 100 anos, e até hoje não existe uma resposta definitiva pra explicar: a supercondutividade.

Era início do século XX, o que conhecemos hoje como Física Clássica tomava sua forma. Dentro dela estava a Termodinâmica, com alguns problemas ainda intrigavam os cientistas, como um limite inferior para a temperatura, e como os materiais deveriam a matéria deveria se comportar quando resfriada perto dessas temperaturas.

Eis que surge, então, um rapaz bastante conhecedor dessa tal de Termodinâmica, e que adorava por a mão na masssa, chamado Heike Kamerlingh Onnes. Ele resolveu tentar liquefazer em seu laboraório um gás bastante complicado: o hélio. E como eu disse, ele era um bom conhecedor de Termodinâmica. Desafio cumprido.

“Mas qual é a desse tal de hélio?” Você deve estar se perguntando. Bom, pra isso basta olhar na tabela periódica. A família láááá do cantinho direito é a que chamamos de “gases nobres”. Esse nome vem do fato de que esses gases não gostam muito de fazer ligações químicas, interagem muito pouco com moléculas que chegam perto deles, e, por isso, é muito difícil transformar esses gases em líquidos. É tão difícil que todos esses elementos são vistos nas condições ambiente como átomos soltos no estado gasoso. Por isso o nome da família. Conforme descemos nessa família, os átomos ficam mais pesados, e quanto mais pesados eles são, mais elétrons eles possuem, menos eles se movem, e no final das contas é um pouco mais fácil fazer os átomos que estão mais embaixo interagirem com moléculas vizinhas. Mas o hélio não é um desses. O hélio está lá em cima. E ninguém conseguia liquefazer esse cara.

Mas mesmo assim nosso herói Onnes (me recuso a ficar escrevendo o nome com “K” dele) liquefez o hélio. Qual o próximo passo? Como todo bom cientista com um um líquido criogênico em mãos, jogue tudo que tem ao seu redor nesse líquido e veja o que acontece. Só que Onnes não era bobinho, e sabia que todo mundo estava curioso pra saber o que acontece com a resistência elétrica de metais em baixa temperatura. Mas qual metal ele deveria escolher? Bom, fazer solda pra colocar contatos elétricos em qualquer metal é uma coisinha meio chata, e se ele não fizesse isso direito, não ia conseguir bons resultados. Qual a ideia dele então? Mercúrio! É um metal que nas condições ambiente é líquido (pelo menos nas nossas condições ambiente), então basta mergulhar alguns fios nele e resfriar até ele solidificar que estão prontos os contatos elétricos sem nenhuma solda.

Aí veio o golpe de sorte do nosso amigo Onnes. Hélio se liquefaz por volta de 4.18K, e o mercúrio, quando colocado a temperaturas abaixo de 4.2K, sofre uma transição que revolucionou a Física do Estado Sólido. Por míseros 0.02K quase que Onnes perdeu de descobrir o fenômeno da supercondutividade.

“Mas explica logo o que é isso!”

Tá bom!

Normalmente, conforme abaixamos a temperatura de um metal, a resistência dele vai diminuido. Isso acontece principalmente porque, em baixas temperaturas, o movimento dos núcleos atômicos é BEM pequeno, e os elétrons, ao se transportarem de um lado para o outro, correm menos risco de esbarrar com um núcleo. Mas essa diminuição é bem suave, e chega num ponto que essa diminuição pára e a resistência chega num valor mínimo. O que faz isso são as imperfeições que os materiais tem, que é um problema que a Termodinâmica nos diz que é impossível de evitar. Por isso, a resistência de um metal nunca chega no zero. Exceto para os materiais supercondutores.

Hg.png
Fig. 1 – Medida feita por Onnes da resistência do mercúrio em baixas temperaturas. Fonte: KITTEL, Charles. Introduction to SOlid State Physics.

Enquanto Onnes media a resistência do mercúrio em baixas temperaturas, ele percebeu que, naquela temperatura de 4.2K, a resistência caia IMEDIATAMENTE para zero (Fig. 1). Quem esperava que isso acontecesse? Ninguém! Esse fenômeno foi visto em muitos outros metais, em cerâmicas, em compostos orgânicos e até hoje não há uma explicação definitiva que leve ao entendimento desse fenômeno. Mas uma discussão mais calorosa sobre isso vai ficar pros próximos episódios. Não perca! 😉

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