Estados estяaиhos da matéria: Supercondutividade

O caminho da menor resistência

A descoberta da supercondutividade

A supercondutividade foi descoberta há cerca de um século. Em 1911, H. Kamerlingh Onnes observou que a resistência eléctrica do mercúrio desaparece à temperatura do hélio líquido e chamou ao fenómeno supercondutividade (Prémio Nobel da Física de 1913). Onnes mostrou ainda que no estado supercondutor, a corrente persiste indefinidamente depois de desligado o campo eléctrico, o que implica uma resistência eléctrica nula.

A supercondutividade é o desaparecimento total da resistência eléctrica de um material, abaixo de uma temperatura crítica, geralmente baixa, e característica do material.

O que é a resistência eléctrica

Resistividade da prata em função da temperatura.

Na condução de corrente ‘normal’, os portadores de electricidade são os electrões livres dos metais (cerca de 10²³ por cada cm³ de metal). Em equilíbrio e na ausência de campo eléctrico, o movimento dos electrões é aleatório e há em média tantos electrões a deslocar-se num determinado sentido como no sentido oposto, pelo que não há corrente.

Agitação térmica.

Quando um campo eléctrico é aplicado, esta simetria é quebrada e o excesso de electrões num dos sentidos constitui a corrente eléctrica. As vibrações térmicas dos iões da rede cristalina dispersam estes electrões em todas as direcções, o que se manifesta globalmente como uma resistência ao transporte dos electrões que limita o fluxo de carga quando o campo eléctrico está ligado e anula a corrente eléctrica logo que este é desligado.

Influência da agitação térmica na resistência dos condutores a altas temperaturas (esquerda) e a baixas temperaturas (direita).

Quanto mais baixa for a temperatura, menores são as vibrações térmicas e, por isso, a resistência diminui à medida que a temperatura diminui. Mas esta variação é suave e, idealmente, a resistência devia desaparecer apenas no zero absoluto, onde toda a agitação térmica pára. Mesmo isto é apenas verdade para cristais perfeitos, porque os cristais reais têm imperfeições ou defeitos (impurezas, sítios vazios, átomos no sítio errado) que contribuem para a resistência eléctrica, independentemente das vibrações térmicas, e esta contribuição não desaparece quando T = 0 K.

Os supercondutores têm resistência eléctrica nula

Supercondutividade do mercúrio a baixas temperaturas.

Contudo, Onnes notou que o mercúrio perde toda a resistência abaixo de 4.2 K. A esta temperatura, ainda há agitação térmica e, claro, (quase todos) os defeitos da rede. Nem as vibrações térmicas, nem os defeitos parecem ter qualquer efeito na condução dos electrões no mercúrio abaixo de 4.2 K. Portanto, o que está em jogo na ‘supercondução’ é um mecanismo novo e diferente do que acabámos de descrever.

Outros supercondutores

Temperatura crítica versus ano da descoberta para vários materiais supercondutores

O mercúrio não é o único material supercondutor, mesmo a baixas temperaturas. A supercondutividade foi descoberta em muitos outros metais, abaixo de 10 K, como o alumínio, o chumbo, o estrôncio, o zinco e o cádmio, mas a lista não termina aqui...

Em 1981 foram descobertos compostos orgânicos que são supercondutores a baixas temperaturas, para não falar (ainda) da descoberta em 1986 de uma nova classe de materiais supercondutores a "altas" temperaturas: Os materiais cerâmicos, que como a porcelana, normalmente são isolantes... Salvo algumas excepções!