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Reportagem

Supercondutor de baixa temperatura em alta

O diboreto de magnésio desbanca uma antiga convicção sobre materiais não óxidos com resistência elétrica zero. Ele adquire essa propriedade perto da temperatura relativamente quente de 40 kelvins – e promete uma variedade de aplicações

Paul C. Canfield e Sergey L. Bud`ko
HAL SAILSBURY Centro de preparação de Materiais, Laboratório Ames
Seção transversal de um fio diboreto de magnésio de 0,14 mm de diâmetro. Ele é 100% denso e composto de grãos pequenos e não orientados, que refletem luz de forma diferente e resultam em cores diversas. Fios como esses são úteis para pesquisas básicas sobre a supercondutividade do material
Imagine como alguém se sentiria ao descobrir petróleo jorrando no chão de seu quintal. Uma sensação semelhante de entusiasmo incrédulo tomou conta da comunidade da física do estado sólido nas primeiras semanas de 2001, quando pesquisadores anunciaram que o diboreto de magnésio (MgB2) é supercondutor – conduz eletricidade sem resistência – a tempera¬turas próximas de 40 kelvins.

Esse composto simples era conhecido desde 1950 e era encontrado na prateleira de alguns laboratórios havia décadas por motivos triviais, sem que ninguém suspeitasse de seu oculto talento. Embora 40 K (-233ºC) possa parecer um bocado frio, isso é quase o dobro da temperatura em que compostos químicos de metais se tornam supercondutores (23 K para ligas baseadas em nióbio, usadas em pesquisa e na indústria). Uma temperatura de transição nesse nível pode ser obtida por tecnologias bem mais baratas do que aquelas necessárias para provocar a supercondutividade nas ligas de nióbio. Entre as aplicações possíveis estão ímãs supercondutores e linhas de transmissão de força.

Ao contrário dos supercondutores de alta temperatura (materiais de óxido de cobre que superconduzem a temperaturas tão elevadas quanto 130 K), o MgB2 parece ser um supercondutor tradicional, embora uma nova variante. Durante as décadas de busca por supercondutores com temperaturas de transição cada vez maiores, os físicos desenvolveram regras práticas sobre os tipos de elemento que podem ser combinados. Achava-se que 23 K fosse algo próximo da temperatura de transição máxima possível para um supercondutor tradicional, mas o MgB2 derrubou essa noção.

Jun Akimitsu, da universidade Aoyama gakuin, em Tóquio, anunciou a descoberta da supercondutividade do MgB2 em janeiro de 2001. Dois meses depois, cerca de cem pequenas apresentações sobre o tema foram realizadas no encontro anual de março da Sociedade Americana de Física, e mais de 70 trabalhos foram submetidos ao arquivo pré-impressão de artigos científicos arxiv.org. Esse surto de atividade ocorreu, em parte, porque é bastante simples produzir MgB2 relativamente puro, depois que se descobre como.
Confirmação da Descoberta
No Começo, a notícia do anúncio de Akimitsu espalhou-se apenas de boca em boca e por e-mail. Quando a notícia chegou a nosso grupo, poucos dias depois do congresso, formulamos uma série de perguntas: podemos produzir porções sólidas e de alta pureza dessa substância? Se o MgB2 é de fato supercondutor, será possível desvendar o mecanismo que lhe confere essa propriedade? E, por fim, seria possível delinear algumas das propriedades básicas desse composto químico? Felizmente, a resposta a essas perguntas foi sim.

A descoberta de Akimitsu deu início a um período excepcional para nós e outros grupos de pesquisa. Nossa equipe é especializada no estudo das propriedades físicas dos compostos químicos metálicos. portanto, assim que recebemos a notícia, interrompemos todos os experimentos em andamento e começamos a tentar produzir MgB2, que era algo difícil de início. O MgB2 é um exemplo de um composto químico intermetálico, constituído de dois ou mais elementos metálicos. A forma mais simples de produzir compostos como esse – fundindo os elementos entre si – não era possível nesse caso, porque os pontos de fusão eram muito diferentes: 650ºC para o magnésio e mais de 2.000 º C para o boro. Como o magnésio entra em ebulição pouco acima de 1.100 º C, ele simplesmente evaporaria antes que o composto químico pudesse se formar.

Mas a vaporização do magnésio sugeriu um método alternativo: poderíamos selar um pedaço de magnésio e um pouco de boro em pó em um recipiente de tântalo, inerte, e submetê-los a uma temperatura alta o suficiente para fundir o magnésio, mas sem deixar que entrasse em ebulição (digamos 950 º C). O magnésio possui uma pressão de vapor relativamente alta – um terço de 1 atmosfera de vapor de magnésio existe em equilíbrio com o metal líquido a 950 º C. Esperáva¬mos que esse vapor denso se dispersasse em boro sólido, produzindo pelotas de MgB2. De fato, constatamos que, em apenas duas horas, esse processo produzia MgB2 de alta pureza em forma de pelota frouxamente sinterizada (aglomerada no minério), semelhante a arenito. Três dias depois de recebermos a notícia, havíamos produzido aquelas pelotas e estávamos em condições de confirmar a supercon¬dutividade perto de 40 K.

Tendo descoberto como produzir MgB2 e confirmado que era um super-condutor, fizemos a próxima pergunta: tratava-se de um supercondutor tradicional, cuja atividade podia ser explicada por uma teoria tradicional denominada BCS, ou um exemplo de um tipo mais exótico? Se fosse esse último, seria uma descoberta científica de peso. por outro lado, se fosse um supercondutor BCS convencional, a temperatura de transição excepcionalmente alta exigiria explicação, mas as perspectivas de aplicação prática do material seriam mais encorajadoras.
Por vários motivos, alguns pesquisadores acharam que o MgB2 não era um supercondutor BCS comum. primeiro, antes da descoberta dos supercondutores de altas temperaturas, em 1986, durante duas décadas a temperatura de transição máxima permaneceu em torno de 20 K. Esse fato levou alguns teóricos a sugerir que cerca de 30 K era a temperatura máxima possível para a supercondutividade em compostos químicos que obedecem às regras BCS. os supercondutores de óxido de cobre de alta temperatura excedem bastante esse limite, mas não são considerados BCS.

Além disso, a temperatura de tran¬sição relativamente alta do MgB2, ou temperatura crítica (Tc), violava uma das regras básicas na busca por compostos químicos intermetálicos com Tc maior: quanto mais elétrons pudessem participar da transição de fase para o estado de supercondutividade, maior seria a temperatura de transição. Nem o magnésio nem o boro trazem muitos elétrons ao MgB2.

Um teste experimental consegue mostrar se um supercondutor segue a teoria BCS. As vibrações da estrutura desempenham papel fundamental na teoria. Imagine que os íons positivos pesados da estrutura do cristal são mantidos coesos por molas fortes (os elos químicos). Excitações como o calor manifestam-se como vibrações de íons individuais em freqüências características. A teoria BCS prevê que a temperatura de transição de um supercondutor é proporcional à freqüência das vibrações de sua estrutura. Como ocorre com objetos do dia-a-dia, como cálices de vinho ou cordas de violão, objetos constituídos de material mais leve possuem freqüências características maiores do que objetos idênticos constituídos de material mais pesado. usando isótopos diferente de magnésio ou boro, podemos produzir MgB2 a partir de átomos de massas diferentes, alterando a freqüência de vibração da estrutura química, o que, por sua vez, deveria alterar a Tc de uma maneira específica.

O boro possui dois isótopos estáveis, que ocorrem naturalmente: boro 10 e boro 11. A previsão mais simples do modelo BCS é que a Tc deveria diferir em 0,85 K entre duas amostras de MgB2 feitas com boro 10 e boro 11 puros, respectivamente. Com as primeiras pelotas sinterizadas de MgB2, descobrimos um desvio de 1 K. Ofato de o desvio na Tc ser um pouco superior à previsão pode ser conciliado pela teoria BCS – indica que as vibrações do boro são mais importantes para a supercondutividade do que as vibrações do magnésio.
A proximidade entre o desvio e a previsão de 0,85 K revelou que é provável que o MgB2 seja um supercon¬dutor BCS, embora se trate de exemplo extremo, com temperatura de transição muito superior à de qualquer outro. Em princípio, a previsão teórica de que o limite superior da supercondutividade BCS era de 30 K estava incorreta. Boa notícia, porque os supercondutores BCS intermetálicos padrão são de manuseio bem mais fácil, além de formarem fios úteis com muito mais naturalidade do que os supercondutores de óxido de cobre. De fato, ocorreu-nos de repente que poderíamos formar fios de MgB2 simplesmente expondo filamentos de boro ao vapor de magnésio. Esses fios são mais úteis do que pelotas sinterizadas para muitas medições e aplicações, como ímãs.

Aplicação e potencial
Apesar de ocorrer apenas a tempera¬turas muito baixas, a supercondutividade possui muitas aplicações hoje, e poten¬cial para muitas outras. Algumas das mais óbvias derivam da capacidade dos supercondutores de conduzir correntes elevadas sem perdas de energia nem aquecimento de resistência. um exemplo são os ímãs supercondutores, capazes de produzir campos magnéticos com mais de 20 tesla (500 vezes mais fortes do que um ímã de geladeira comum). ímãs supercondutores de baixa temperatura como esses (e outros menos fortes) são empregados em laboratórios e em equi¬pamentos de imagem por ressonância magnética. As vendas desses ímãs, feitos com compostos químicos e ligas de nió¬bio, continuam crescendo.

Outra proposta de aplicação com corrente de alta intensidade são linhas de transmissão de força sem perda, capazes de conduzir densidades de corrente bem maiores do que as não-supercondutoras. Protótipos baseados em óxido de cobre, resfriados até quase 70 K com nitro¬gênio líquido, tiveram êxito em testes.

Em termos gerais, para agir como supercondutor em aplicações práticas, os compostos químicos precisam ser resfriados bem abaixo de sua Tc, até cerca de 0,5 a 0,7 Tc, porque correntes elétricas grandes ou campos magnéticos fortes des¬troem a supercondutividade que ocorre próxima à Tc. Conseqüentemente, uma Tc de 20 K pode implicar temperatura operacional de 10 K, o que significa que o supercondutor precisa ser resfriado com hélio líquido, opção cara e complicada.
O MgB2 gera interesse porque ele pode ser resfriado até uma temperatura operacional viável com mais facilidade do que os compostos químicos de nióbio, de Tc mais baixa, empregados hoje em dia. A técnica de refrigeração pode ser por hidrogênio ou neônio líquidos, ou por refrigeradores de ciclo fechado razoavelmente baratos que chegam a menos de 20 K.

Mas, para isso se tornar realidade, o MgB2 precisará de boas propriedades de supercondutividade. os pesquisadores estão dando atenção especial à fase mista do supercondutor, em que um campo magnético destrói parcialmente a supercondutividade – na maioria das aplicações reais, o material estará nessa fase. Campos magnéticos fracos não pro¬duzem o estado misto; o supercondutor exclui esses campos de seu interior e permanece supercondutor. Em campos intermediários, porém, o material permi¬te que o campo magnético penetre em forma de pequenos tubos de fluxo mag¬nético chamados vórtices. os interiores desses tubos não são supercondutores, mas fora deles o material permanece supercondutor. A fase mista continua manifestando muitas das características úteis da supercondutividade. À medida que aumenta a força do campo magné¬tico aplicado, a porcentagem do material ocupado pelos tubos de fluxo aumenta até que se sobrepõem plenamente, ponto em que todo o material perde a supercon¬dutividade. A força do campo em que se perde a supercondutividade denomina-se o campo crítico superior e é uma proprie¬dade-chave que determina o grau de uti¬lidade de um supercondutor na prática.

A maioria das aplicações envolverá campos intermediários (o campo é forte o suficiente para ser útil, mas não tão forte a ponto de destruir totalmente a super¬condutividade), de modo que o objetivo torna-se maximizar a faixa de temperatu¬ras de campos magnéticos em que a fase mista da supercondutividade sobrevive. A temperatura também desempenha um papel nessas considerações, porque o campo crítico superior de um super¬condutor varia com a temperatura. Logo abaixo da Tc, o campo crítico superior está perto de zero, ou seja, mesmo o campo mais fraco destrói a supercondu¬tividade. A temperaturas mais baixas, a supercondutividade consegue resistir a campos mais fortes.

Felizmente, o campo crítico superior de um material pode ser regulado forman¬do-se o composto químico de maneiras diferentes, em geral acrescentando certas impurezas. Por exemplo, quando algum carbono substitui o boro, o campo crítico superior melhora bastante. Nosso grupo mostrou que, para uma substituição por carbono de cerca de 5%, o campo crítico superior do MgB2 pode ser mais do que dobrado.
Além disso, o grupo de David C. Larbalestier, da universidade de Wisconsin em Madison, mostrou que películas finas de MgB2 possuem um campo crítico superior ainda maior, bem superior ao da ligação trinióbio-estanho (Nb3Sn). Dados das películas finas apresentam um mistério vital: o que está aumentando os valores? Seriam quanti¬dades pequenas de oxigênio? Ou algum outro elemento estaria se introduzindo à socapa e dopando a amostra de forma desconhecida? Seria a tensão na estrutura do MgB2 nas películas? Quaisquer que sejam as respostas, o MgB2 é sem dúvida um material promissor para ímãs supercondutores capazes de funcionar em temperaturas maiores e, talvez, até em campos maiores que a ligação trinióbio-estanho, o composto atualmente preferido para tais ímãs.

A segunda propriedade dos super-condutores de interesse particular para a física aplicada é a densidade de corrente crítica. Essa quantidade delineia a corrente máxima que um supercondutor pode conduzir sem perder a resistência zero. Para densidades de corrente acima da crítica, os vórtices (as pequenas regiões não-supercondutoras da amostra) começam a escorregar ou se mover. Omovimento dessas regiões provoca perda de energia, ou seja, o material deixa de ter resistência zero. para eliminar esse efeito, é preciso imobilizar os vórtices introduzindo o tipo correto de “defeito” no supercondutor. um método é diminuir os cristalitos (ou grãos) individuais do material, aumentando assim a área de superfície associada aos limites dos grãos, onde os vórtices são contidos. Outro método de aumentar a contenção dos vórtices é acrescentar quantidades microscópicas de algum outro material, como óxido de ítrio ou diboreto de titânio.

Atualmente, um dos maiores desafios para tornar o MgB2 um material super¬condutor útil é aumentar sua densidade de corrente crítica em campos magnéticos maiores. A densidade de corrente crítica do MgB2 puro é comparável à da ligação trinióbio-estanho em campos magnéticos fracos, mas diminui bem mais rapidamen¬te em campos mais fortes. Isso não é uma boa notícia se o objetivo é empregar o MgB2 em ímãs, cujo propósito é produzir um campo forte. Por outro lado, nos quatro anos desde a descoberta da super¬condutividade desse composto químico, cientistas fizeram progressos consideráveis na densidade de corrente crítica, tanto no valor do campo fraco como no dos campos mais fortes – talvez mais importantes. A produção científica nessa área é intensa e deve trazer logo uma compreensão melhor sobre o que proporcionará um bom local de contenção no MgB2.

Passado, Presente e Futuro
A descoberta da supercondutividade no MgB2 é um forte lembrete de que a Natureza nem sempre segue as regras prá¬ticas que formulamos em nossas tentativas de descrevê-la. Embora a existência do MgB2 já fosse conhecida havia 50 anos, sua supercondutividade nunca tinha sido testada, em parte porque esse composto químico não correspondia à imagem de um supercondutor intermetálico provável.
Nos últimos quatro anos, o conhe¬cimento sobre a supercondutividade do MgB2 progrediu muito. Temos uma idéia clara das propriedades do MgB2 de alta pureza e estamos aprendendo a modificar o material de modo a melhorar a extensão de campo magnético e densidade de corrente em que pode ser útil. As pro¬priedades entre 20 K e 30 K melhoraram, dando a impressão de que aplicações de alta densidade de corrente, como ímãs, poderão operar com criógenos como hidrogênio líquido ou neônio líquido ou com refrigeradores de ciclo fechado. Protótipos de fios revestidos e até alguns ímãs iniciais foram produzidos, mas é necessário mais trabalho para otimizar as propriedades do supercondutor e enten¬der a sua metalurgia.

No todo, o futuro do MgB2 se mostra promissor. De fato, ocorrendo uma transição para uma economia baseada no hidrogênio, o MgB2 poderia realmente conquistar seu espaço. Se grandes quantidades de hidrogênio vierem a ser produzidas em reatores, essa substância terá de ser transportada de alguma maneira. Uma solução seria fazê-lo através de tubos condutores de líquidos com isolamento térmico, que manteriam as temperaturas abaixo do ponto de ebuli¬ção de 20 K do hidrogênio. Esses tubos poderiam ser aproveitados como sistema criogênico para cabos de energia sem perdas feitos de MgB2.

Após a descoberta do primeiro super-condutor baseado em óxido de cobre, os pesquisadores descobriram dezenas de outros semelhantes. Quatro anos após a descoberta do MgB2, porém, nenhum outro composto químico relacionado foi descoberto com Tc anormalmente alta. A descoberta da supercondutividade nos óxidos foi semelhante à de todo um novo continente, com amplos espaços por explorar. Já a descoberta da supercondutividade no MgB2 assemelhou-se mais a descobrir uma ilha remota em um arquipélago bem explorado. Não sabemos se é o membro final de uma cadeia ou se outra surpresa nos aguarda à frente.

Resumo/Diboreto de Magnésio

- Em 2001, pesquisadores descobriram que o diboreto de magnésio, composto químico aparentemente trivial, torna-se supercondutor abaixo de cerca de 40 kelvins, quase o dobro da temperatura de outros supercondutores semelhantes. Sua temperatura operacional prática fica entre 20 e 30 kelvins.

- Essa temperatura pode ser obtida pelo resfriamento com neônio ou hidrogênio líquido, bem como pela refrigeração de ciclo fechado. Esses processos são mais baratos e simples do que o resfriamento com hélio líquido requerido pelas ligas de nióbio, amplamente usadas na indústria a cerca de 4 K.

- Quando dopado com carbono ou outras impurezas, o diboreto de magnésio consegue igualar ou superar as ligas de nióbio na conservação de supercondutividade em presença de campos magnéticos e ao conduzir corrente elétrica. As aplicações potenciais incluem ímãs supercondutores, linhas de transmissão de força e detectores de campos magnéticos sensíveis.
NoRMAN E. ANDERSoN JR. (em cima), e HAL SAILSBuRY Centro de preparação de Materiais, Laboratório Ames (embaixo)
Fios de 0,1 mm a 0,3 mm foram produzidos em reação de vapor de magnésio com filamentos de boro/Corte transversal de um segmento de fio de diboreto de magnésio revela um núcleo central de boreto de tungstênio com 0,015 mm de diâmetro

Produção de Fios

Poucas semanas após o anúncio da supercondutividade no MgB2, havíamos concebido uma técnica para produzir segmentos de fio com o material. Pode-se formar MgB2 pela reação entre vapor de magnésio e boro, processo que pode levar algumas horas a temperaturas próximas de 1.000oC: o boro essencialmente suga o vapor de magnésio do ambiente e torna-se MgB2 (inchando muito no processo). Imagine uma esponja seca sugando vapor d’água do ar em um dia úmido. Esse processo funciona com fibras de boro que podem ser adquiridas em comprimentos de centenas de metros; ele foi aplicado inicialmente a filamentos com diâmetros entre 0,1 mm e 0,3 mm.

Segmentos de fio como esses são muito úteis para pesquisa básica, permitindo a medição das propriedades físicas intrínsecas do MgB2. Para que esses segmentos de fio possam ter aplicações práticas, precisariam de um revestimento maleável e condutor elétrico para proporcionar apoio estrutural. (o revestimento também conduz a corrente em caso de falha da supercondutividade, evitando o aquecimento catastrófico do MgB2.) Um revestimento adequado ainda não foi desenvolvido.

Um método mais comum de síntese de fio é chamado de “pó em um tubo”. Essa técnica envolve verter magnésio e boro pulverizado ou MgB2 pulverizado em um tubo, transformar o tubo num fio e, depois, reagir ou temperar o fio para produzir uma estrutura sólida. Essa técnica produziu amostras de pesquisa que variam de dezenas a centenas de metros de comprimento.

Embora o MgB2 seja um supercondutor um tanto novo, empresas estão de olho nele e pretendem comercializá-lo. Entre elas estão a Diboride Conductors e a Hyper Tech Research, companhias pequenas especializadas na produção e aperfeiçoamento das propriedades de fios de MgB2, e a Specialty Materials, empresa de materiais com experiência na produção de filamentos de boro. – P. C.C. e S.L.B.

História da Supercondutividade

Heike Kamerlingh onnes descobriu a supercondutividade em 1911 ao usar hélio líquido como refrigerador e estudar as propriedades elétricas de metais a baixas temperaturas. para surpresa de todos, quando o mercúrio foi resfriado a cerca de 4,2 kelvins, subitamente perdeu toda a resistência elétrica. Esse limiar é conhecido como temperatura crítica, ou Tc.

Outros materiais com temperaturas críticas cada vez maiores foram sendo descobertos aos poucos durante as cinco primeiras décadas da pesquisa da supercondutividade. Todos esses supercondutores eram elementos metálicos puros ou compostos químicos de dois ou mais metais. Mas, da década de 1960 até meados da década de 1980, o valor máximo da Tc não conseguiu ultrapassar 20 K, nível bastante baixo.

Tudo isso mudou em 1986, com a descoberta da supercondutividade de alta temperatura de uma série de compostos químicos baseados em óxido de cobre. Durante os primeiros anos após essa descoberta, os valores da Tc dispararam, com o óxido de mercúrio-bário-cálcio-cobre tendo Tc de cerca de 130 K. Foi um período fantasticamente empolgante, mas logo tornou-se claro que a teoria predominante de como se origina a supercondutividade – conhecida como teoria BCS – não explica a ausência de resistência nesses materiais. Após duas décadas de esforço, ainda carecemos de uma teoria definitiva de como ou por que os compostos de óxido de cobre são supercondutores.

Esses compostos também representam uma série de desafios físicos. Inicialmente, eram difíceis de produzir em forma de cristal único ou com alta pureza, dificultando as medições de suas propriedades fundamentais. Além disso, a síntese de fios não é fácil: ao contrário dos compostos supercondutores intermetálicos, os grãos individuais que compõem parte de um desses óxidos precisam ser alinhados entre si para que o fio tenha propriedades úteis de engenharia. Esses problemas fizeram com que os pesquisadores e engenheiros buscassem uma substância com as propriedades materiais mais fáceis dos supercondutores intermetálicos, mas com temperatura crítica significativamente superior a 20 K.

Na alvorada do novo milênio, o estado de supercondutividade podia ser obtido com graus variados de facilidade e custos. Nos óxidos, a supercondutividade era viável ao redor de 77 K, nível alcançado com relativa facilidade banhando-se o material em nitrogênio líquido. os compostos intermetálicos mais antigos, como a ligação nióbio-estanho, vinham sendo usados em laboratórios e como ímãs médicos operando a temperaturas mais próximas de 4 K, que podem ser alcançadas com hélio líquido.

A descoberta, em 2001, de que o composto intermetálico simples diboreto de magnésio (MgB2) é supercondutor a 40 K, cerca do dobro da temperatura de outros materiais supercondutores intermetálicos, foi a concretização do sonho dos engenheiros. – P. C.C. e S.L.B.

Impurezas Eficazes

Conservar a supercondutividade em um campo magnético e na condução de uma corrente é fundamental para aplicações práticas. Testes mostram que impurezas podem melhorar o desempenho do MgB2, que agora iguala ou excede o das ligações trinióbio-estanho (Nb3Sn) preferidas pela indústria. o gráfico da esquerda mostra que segmentos de fio de MgB2 com carbono e uma película fina de MgB2 com nível desconhecido de impurezas suportam um campo magnético maior (“campo crítico superior”) do que o Nb3Sn em todas as temperaturas. os dados da direita (obtidos a 4 K, com exceção do MgB2 puro) mostram que o MgB2 com impurezas de carboneto de silício tem a mesma capacidade de condução do Nb3Sn, mas outras variantes são significativamente inferiores.

Previsões da Teoria BCS

Uma das perguntas-chave sobre a supercondutividade é: por que ela ocorre? Ou seja, qual mecanismo ou interação causa a transição para esse novo estado? Em 1957, os físicos John Bardeen, Leon N. Cooper e J. Robert Schrieffer propuseram uma explicação do mecanismo subjacente à supercondutividade dos metais em uma teoria batizada com suas iniciais (teoria BCS). Em um metal normal, não-supercondutor, os elétrons se dispersam diante de defeitos e imperfeições, gerando resistência. De acordo com a teoria BCS, a supercondutividade ocorre quando os elétrons, em vez disso, agem como um único objeto coletivo estendido, capaz de se mover sem dispersão.

Os blocos de construção desse novo estado eletrônico são duplas de elétrons denominados pares de Cooper, em que cada parceiro é fracamente atraído pelo outro. Essa atração entre duas partículas de carga semelhante, à primeira vista impossível, ocorre porque o metal é composto de íons com carga positiva, bem como elétrons. À medida que um membro do par de Cooper se desloca pelo metal, deixa como rastro uma distorção iônica positivamente carregada. Essa carga positiva líquida efêmera atrai um segundo elétron. Desse modo, a distorção da estrutura acopla fracamente os elétrons. (Mais precisamente, vibrações de estrutura de uma freqüência específica estão envolvidas no acoplamento.) Uma analogia um tanto grosseira é a de duas crianças saltando num trampolim grande. Ainda que não haja uma atração direta entre as crianças, elas tendem a saltar uma em direção à outra, devido à distorção causada na tábua sob seus pés.

Os pares de Cooper sobrepõem-se uns aos outros e, abaixo da temperatura crítica Tc, formam um estado eletrônico estendido que não experimenta mais nenhuma resistência elétrica.

Uma versão simplificada da teoria BCS prevê que a Tc depende de três propriedades do material em questão: o número de elétrons que podem participar do estado supercondutor (quanto mais elétrons podem participar, maior a Tc), a freqüência característica das vibrações de estrutura envolvidas no acoplamento dos elétrons nos pares de Cooper (quanto maior a freqüência, maior a Tc) e a força do acoplamento entre a distorção da estrutura e os elétrons (quanto mais forte esse acoplamento, maior a Tc). Durante décadas, a busca de temperaturas críticas maiores concentrou-se na otimização dessas três propriedades relacionadas, sendo que a preferência era tentar melhorar as duas primeiras. o MgB2 parece ter Tc alta devido ao acoplamento mais forte da estrutura de elétrons, a terceira propriedade. – P. C. C. e S. L. B.

Estrutura e Ligação

Um dos motivos principais da temperatura de transição surpreendentemente elevada do MgB2 é a força da interação entre certos elétrons e certas vibrações da estrutura. A interação forte emerge devido à estrutura e ligação do material.

Os átomos de boro no MgB2 formam um padrão alveolado hexagonal (em vermelho, à esquerda). Essas camadas estão separadas por camadas de magnésio (azul). Os elétrons responsáveis pela condutividade elétrica estão associados às camadas de boro e podem se envolver em dois tipos diferentes de ligação no material (direita). Uma ligação muito forte ocorre dentro do plano hexagonal, e uma ligação bem mais fraca, entre as camadas de boro.

Os elétrons de condução das ligações planares são afetados fortemente pelas vibrações da estrutura no plano hexagonal (setas). Essa interação forte, ou acoplamento, resulta em um estado que permanece supercondutor a temperaturas mais altas.

O MgB2 fez ressurgir uma pergunta interessante da física básica: é possível a supercondutividade envolvendo duas coleções distintas de elétrons (em verde e cinza) formando duas ondas distintas de pares de Cooper? os indícios experimentais sugerem que isso acontece no MgB2, que seria o primeiro exemplo claro desse fenômeno. – P. C. C. e S. L. B.

PARA CONHECER MAIS

Superconductivity at 39 K in magnesium diboride. Jun Nagamatsu e colegas, em Nature, vol. 410, págs. 63-64, 1o de março de 2001.

Magnesium diboride: one year on. Paul C. Canfield e Sergey L. Bud’ko, em Physics World, vol. 15, no 1, págs. 29-34, janeiro de 2002.

Energy for the city of the future. paul M. grant, em Industrial physicist, vol. 8, no 1, págs. 22-25, feve¬reiro/março de 2002. Disponível em www.aip.org/tip/INpHFA/vol-8/iss-1/p22.pdf

Magnesium diboride: better late than never. paul C. Canfield e george W. Crabtree, em Physics Today, vol. 56, no 3, págs. 34-40, março de 2003.

Superconductivity in MgB2: electrons, phonons and vortices. organizado por Wai Kwok, george W. Crabtree, Sergey L. Bud’ko e paul C. Canfield. Physica C, vol. 385, nos 1-2, março de 2003.