Estados estяaиhos da matéria: Supercondutividade

São necessários dois para dançar?

O que torna um metal supercondutor?

A ausência de resistência eléctrica dos supercondutores sugere um mecanismo do tipo condensação de Bose-Einstein. Mas os electrões têm spin semi-inteiro e obedecem à estatística de Fermi-Dirac, que é radicalmente diferente da estatística de Bose-Einstein. Uma tentativa de explicar a condensação de electrões considera a formação de pares de partículas. O spin de um par de electrões ligados é dado pela soma dos spins individuais –um número inteiro– e estes pares obedecem à estatística de Bose-Einstein.

Mas como podem dois electrões que se repelem, através da interacção de Coulomb, formar um par ligado?

É necessário que exista uma atracção entre os electrões e isso não acontece para electrões livres. Contudo, no metal os electrões estão confinados e interagem com os iões positivos da rede cristalina. Esta interacção é atractiva e dois electrões podem atrair-se na presença da rede polarizável (deformável). O mecanismo é o seguinte: Um electrão atrai os iões na sua vizinhança. Os iões respondem movendo-se ligeiramente na direcção do electrão criando um excesso de carga positiva à volta deste. Um segundo electrão é agora atraído pela polarização localizada à volta do primeiro electrão e desta forma os electrões sentem uma atracção efectiva. O que cada electrão vê não é a carga negativa do outro, mas a carga positiva devida à deformação da rede que ele provoca. O efeito é muito parecido ao que acontece se colocarmos dois berlindes num lenço mal esticado e em termos técnicos dizemos que a atracção electrónica é mediada por fonões (vibrações da rede). Uma analogia usada frequentemente para este acoplamento é a do colchão mole, onde duas pessoas rolam para o centro, não devido a uma atracção mútua, mas forçadas pela flacidez do colchão!

Pares de Cooper.

L. N. Cooper mostrou que dois destes electrões, na presença de todos os outros, se ligam com spins opostos e formam um par com spin zero (par de Cooper). O problema de muitos corpos (todos os electrões) foi finalmente resolvido por J. Bardeen, L. N. Cooper e J. R. Schrieffer, quase meio século depois da descoberta da supercondutividade. A teoria microscópica mostrou que a supercondutividade se baseia no facto de electrões com spins opostos adquirirem fortes correlações que os fazem entrar num estado coerente, insensível às pequenas perturbações da rede, do qual resulta a ausência de resistência eléctrica. A transição para o estado supercondutor é semelhante à condensação de Bose-Einstein. A teoria é conhecida por teoria BCS e os seus autores foram galardoados com o Prémio Nobel da Física em 1972.