Paulo S. Branício
Departamento de Física, Universidade Federal de São Carlos
13565-905, São Carlos, São Paulo

Recebido em 11 de Junho de 2001. Aceito em 29 de Outubro de 2001.

Neste artigo a descoberta da supercondutividade a 39K no MgB₂ é discutida de forma didática e conceitual. Para salientar sua importância, a história dos supercondutores é descrita brevemente, desde sua descoberta em 1911 no Hg até os dias de hoje. São apontadas as principais características inerentes ao estado supercondutor e indicadas algumas das suas inúmeras aplicações, que estão representadas em ilustrações. O texto apresenta, então, as mudanças que a descoberta do MgB₂ traz ao campo de pesquisa e às aplicações. Da maneira como está apresentado, o texto deve ser de interesse não só da comunidade científica em geral, não especializada em supercondutividade, mas em especial dos professores de física do ensino médio, que poderão se valer do texto em atividades envolvendo tópicos de física contemporânea.

In this article the discovery of the superconductivity at39K in MgB₂ is discussed in a didactic and conceptual way. To point out its importance the history of the superconductors is discribed shortly, from its discovery in 1911 in Hg up to nowadays. The main inherent characteristics to the superconductor state are pointed out and some of its applications are indicated and represented in illustrations. The text present then the changes that the MgB₂ discovery brings to research and applications. In the way it is written, it is believed the text is of interest not only to the general scientific community, not specialized in superconductivity, but especially to high school physics teachers, that could take advantage of the text in activities involving topics of contemporary physics.

Supercondutores são materiais que perdem a resistência à corrente elétrica quando estão abaixo de uma certa temperatura. A compreensão dos complexos mecanismos que levam alguns materiais a se comportarem como supercondutores vem intrigando os cientistas há quase um século. Tudo começou com o trabalho de Heike Kamerlingh-Onnes[1], que em 1911 descobriu que o Hg podia transportar corrente elétrica sem nenhuma resistência aparente, como mostrado na Fig. 1. Além disso, esta corrente podia persistir por um tempo indefinido. Onnes conseguiu esse feito trabalhando em seu laboratório de baixas temperaturas em Leiden na Holanda, onde alguns anos antes tinha conseguido liquefazer o hélio pela primeira vez. Ele deu o nome de supercondutividade ao estranho fenômeno. A partir de então, o termo supercondutores vem sendo usado para denotar todos os materiais que, abaixo de uma certa temperatura crítica, T_c, perdem a resistência à passagem de corrente elétrica, além de apresentar outras propriedades. Dois anos após a descoberta, em 1913, Onnes é agraciado com o prêmio Nobel de Física. Em seu discurso, ele observa ainda que o estado supercondutor podia ser destruído aplicando-se um campo magnético suficientemente grande.

A partir da descoberta inicial, a supercondutividade foi sendo procurada em vários materiais e, em especial, nos metais, que são naturalmente bons condutores de eletricidade. Em1929, o T_c recorde estava com o Nióbio em 9.25 K; em 1941 com a liga de Nióbio-Nitrogênio em 16 K; já em 1953 com a liga de Vanádio-Silício em 17.5 K; e daí por diante. Até 1986, o T_c recorde estava com a liga de Nióbio e Germânio em 23.2 K, quando então os supercondutores de alta temperatura foram descobertos. A supercondutividade a baixas temperaturas descrita em 1957 pela teoria BCS, desenvolvida pelos cientistas americanos John Bardeen, Leon Cooper e John Schrieér. Em 1972, eles foram agraciados com o prêmio Nobel de Física em reconhecimento à importância desta teoria. No entanto, mesmo sendo precisa na explicação da supercondutividade a baixas temperaturas em metais e ligas simples, a teoria BCS revelou-se ineficiente na descrição completa da supercondutividade a altas temperaturas, como nas cerâmicas supercondutoras descobertas na década de 80. A primeira delas, La_{2_x}Ba_xCuO₄ foi descoberta por Alex Müller e Georg Bednorz em 1986. Essa descoberta foi de tal importância que mudou notadamente os rumos da supercondutividade. O fato mais marcante foi que a supercondutividade foi descoberta em um material até então considerado isolante, ou seja, que normalmente é um péssimo condutor de eletricidade. Até então, os cientistas não tinham considerado seriamente a possibilidade de um material como este ser um supercondutor, muito menos de ter um T_c maior que o dos metais. No ano seguinte, Müller e Bednorz ganham o prêmio Nobel de Física pela descoberta. De 1987 até hoje, os cientistas passaram a procurar intensamente novas cerâmicas supercondutoras e dezenas delas foram descobertas elevando o valor recorde de T_c a incríveis 138 K para o composto Hg_0.8Tl_0.2Ba₂Ca₂Cu₃O_8.33, a pressão ambiente. Em contrapartida, a procura de novos compostos metálicos supercondutores foi deixada de lado devido ao entusiasmo gerado com as possibilidades abertas com a descoberta dos supercondutores de alto T_c. Em janeiro de 2001, a comunidade científica é sacudida novamente com a descoberta da supercondutividade no composto metálico MgB₂, a 39.2 K. Nada menos que 16 K maior que qualquer composto metálico até então conhecido. Para melhor apreciar a importância desta descoberta e como ela está revolucionando o estudo da supercondutividade, vamos entender com mais detalhes algumas características dos supercondutores e algumas de suas aplicações.

A. Supercondutores Tipo 1 e Tipo 2

Os supercondutores são divididos em dois tipos, de acordo com suas propriedades específicas. Os supercondutores do Tipo 1 são formados principalmente pelos metais e por algumas ligas e, em geral, são condutores de eletricidade à temperatura ambiente. Eles possuem um T_c extremamente baixo, que, segundo a teoria BCS, seria necessário para diminuir as vibrações dos átomos do cristal e permitir o fluxo sem dificuldades dos elétrons pelo material, produzindo assim a supercondutividade. Os supercondutores desse tipo foram os primeiros a serem descobertos e os cientistas verificaram que a transição para o estado supercondutor a baixa temperatura tinha características peculiares: ela acontecia abruptamente, veja Fig. 2(a), e era acompanhada pelo efeito Meissner. Esse efeito, que talvez seja a característica mais famosa dos supercondutores, é a causa da levitação magnética de um ímã, por exemplo, quando é colocado sobre um pedaço de supercondutor. A explicação para o fenômeno está na repulsão total dos campos magnéticos externos pelos supercondutores do Tipo 1, o que faz com que o campo magnético interno seja nulo, desde que o campo externo aplicado não seja muito intenso. A maioria dos materiais, como vidro, madeira e água, também repele campos magnéticos externos, o que faz com que o campo no interior deles seja diferente do campo externo aplicado. Esse efeito é chamado de diamagnetismo e tem sua origem no movimento orbital dos elétrons ao redor dos átomos, que cria pequenos "loopings" de correntes. Elas, por sua vez, criam campos magnéticos, segundo as leis da eletricidade e magnetismo e, com a aplicação de campo magnético externo tendem a se alinhar de tal forma que se oponham ao campo aplicado. No caso dos condutores, além do alinhamento do movimento orbital dos elétrons, correntes de blindagem são induzidas no material e cancelam parte do campo magnético no seu interior. Se considerarmos um condutor ideal, ou seja, que não apresenta resistência à corrente elétrica, o cancelamento do campo é total, caracterizando o chamado "diamagnetismo perfeito". Nos supercondutores do Tipo 1, o cancelamento do campo magnético interno também é total, porém esse comportamento é distinto do diamagnetismo perfeito. Como podemos ver na Fig. 3, os supercondutores do Tipo 1, no estado supercondutor, possuem campo magnético nulo no seu interior, mesmo no caso de o campo magnético externo ser diferente de zero antes da transição supercondutora, diferente do comportamento de um condutor ideal.

Praticamente todos os metais são supercondutores do Tipo 1, a temperaturas suficientemente baixas. Entre eles, temos (T_c em Kelvinentre parênteses): Pb (7.2), Hg (4.15), Al (1.175), Ti (0.4), U (0.2), W(0.0154), Rh (0.000325). Curiosamente os melhores condutores disponíveis, que são o ouro (Au), a prata (Ag) e o Cobre (Cu) não são supercondutores.

Já os supercondutores do Tipo 2 são formados por ligas metálicas e outros compostos. As exceções são os metais puros, Vanádio (V), Tecnécio (Tc) e Nióbio (Nb). Em geral, as temperaturas críticas associadas a eles são muito mais altas que as dos supercondutores do Tipo 1, como é o caso das cerâmicas baseadas em óxidos de cobre. No entanto, o mecanismo atômico que leva à supercondutividade neste tipo de supercondutor, até hoje não está completamente desvendado. O primeiro material supercondutor do Tipo 2 descoberto foi uma liga de chumbo e bismuto fabricada em 1930 por W. de Haase J. Voogd. Eles perceberam que a liga apresentava características distintas dos supercondutores convencionais, Tipo 1. A transição para o estado supercondutor era gradual, com a presença de um estado intermediário, como está mostrado na Fig 2(b). Além disso, o efeito Meissner não era perfeito: o material permitia a penetração de algum campo magnético, de modo contrário aos supercondutores do Tipo 1. No estado intermediário, o supercondutor do Tipo 2 apresenta regiões no estado normal, cercada por regiões supercondutoras, como é mostrado na Fig. 4(a). Essas regiões mistas, chamadas de vórtices, permitem a penetração de campo magnético no material, através dos núcleos normais. Conforme a temperatura aumenta, dentro do estado intermediário, os núcleos vão superando as regiões supercondutoras, como é mostrado na Fig. 4(b). Isso acontece até a perda completa do estado supercondutor, quando os núcleos normais se sobrepõem.

Todos os supercondutores de alta temperatura pertencem ao Tipo 2, incluindo-se o recordista atual, que pertence à classe das cerâmicas baseadas em óxidos de cobre (cupretos). A seguir, enumeramos alguns destes compostos com seu respectivo T_c em Kelvin, entre parênteses: Hg_0.8Tl_0.2Ba₂Ca₂Cu₃O_8.33 (138), Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ (115), Ca1-xSr_xCuO₂ (110), TmBa₂Cu₃O₇ (101), YBa₂Cu₃O₇₊ (93), La_1.85Ba_.15CuO₄ (35), CsC₆₀(40), MgB₂ (39.2), Nb₃Ge (23.2) e os metais Nb (9.25), Tc(7.8) e V (5.4).

A teoria que viria a explicar satisfatoriamente a supercondutividade abaixas temperaturas, presente nos supercondutores do Tipo 1, apareceu somente em 1957, graças ao trabalho de John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer. Um ponto chave na teoria criada por eles é a formação de pares de elétrons, conhecidos como pares de Cooper, através de interações com oscilações da rede cristalina. Esta teoria é conhecida hoje como teoria BCS, nome formado com as iniciais dos sobrenomes dos autores, que podem ser vistos na Fig. 5. Os elétrons, assim como todas as partículas com spin fracionário, são chamados de férmions e obedecem ao princípio de exclusão de Pauli, o qual proíbe que duas partículas ocupem o mesmo nível de energia. No entanto, os pares de Cooper se comportam de maneira muito diferente do de elétrons isolados. Eles atuam como bósons, partículas de spin inteiro, podendo se condensar em um mesmo nível de energia. Os pares de Cooper podem ser comparados a duas bolas de boliche nas bordas de um colchão de água, como mostrado na Fig 6. Conforme alguém empurra uma das bolas, o colchão se deforma e a deformação atrai a segunda bola.

C. Supercondutores a altas temperaturas

Mesmo tendo muito sucesso na explicação da supercondutividade a baixas temperaturas, a teoria BCS não explica satisfatoriamente o fenômeno a altas temperaturas. O primeiro material dessa classe foi descoberto 15 anos atrás e deixou a comunidade científica perplexa, pois a supercondutividade havia sido descoberta em cerâmicas, um material que geralmente é isolante, e o mais impressionante, em torno de 30 K. Os descobridores, George Bednorz e Alex Müller [6], podem ser vistos na Fig. 7. A descoberta se tornou ainda mais surpreendente quando, em novembro de 1986, Paul Chu da Universidade de Houston e Mang-Kang Wu da Universidade do Alabama, descobriram que o YBa2Cu3O7, simbolizado por YBCO e mostrado na Fig. 8, com sua estrutura de camadas, superconduzia a 93 K, ou seja, a temperaturas superiores à temperatura do nitrogênio líquido (77K). Ficou claro naquele ano que uma revolução na Física havia começado. No ano seguinte, em uma sessão especial da reunião de março da Sociedade Americana de Física em Nova Iorque, ocorreu a celebração do começo da nova era da supercondutividade. Este evento, que ficou conhecido como o "Woodstock" da Física, reuniu mais de 3000 pessoas na sala de apresentação principal, com outras 3000 pessoas assistindo em circuito de televisão fechado, do lado de fora. Nos anos seguintes, várias outras cerâmicas supercondutoras foram descobertas, todas baseadas em óxidos de cobre, incluindo aquelas com tálio e mercúrio que hoje apresentam as maiores temperaturas críticas.

Os supercondutores são materiais muito interessantes para uso em várias aplicações devido às suas propriedades peculiares. A maioria das suas aplicações se vale da resistividade nula, que em alguns aparelhos elétricos é sinônimo de eficiência máxima, como é o caso dos geradores de eletricidade e dos cabos de transmissão, que não têm perda de energia elétrica por calor. Outras aplicações se valem dos altos campos magnéticos que podem ser obtidos e_cientemente com magnetos supercondutores. Os aparelhos de ressonância magnética, por exemplo, assim como os trens flutuantes (Maglev) e alguns aparelhos utilizados no estudo de materias utilizam estes campos. As outras aplicações mais comuns se valem do efeito Meissner.

A. Produção e transmissão de eletricidade

Uma aplicação ideal para os supercondutores seria a transmissão de energia elétrica das estações geradoras para as cidades. Entretanto, isso está longe de ser economicamente viável devido ao alto custo e à dificuldade técnica de se refrigerar vários quilômetros de cabos supercondutores a temperaturas criogênicas, embora cabos de até 45 metros possam ser encontrados em utilização. Cabos de 120 metros, capazes de transportar 100 milhões de watts estão sendo construídos pela empresa americana Pirelli Wire e devem entrar em operação brevemente em uma subestação em Frisbie, Detroit. Na Fig. 9, podemos ver um cabo BSCCO (Bi₂Sr₂CaCu₂O₉) resfriado com nitrogênio líquido. Já a construção e utilização de geradores de eletricidade em usinas geradoras têm grande potencial. Como a e_ciência desses geradores é maior que 99% e seu tamanho é a metade daquele dos geradores convencionais feitos de cobre, eles são muito atrativos e várias empresas têm planos para construí-los. A empresa americana General Eletric é uma delas e está atualmente desenvolvendo um protótipo capaz de gerar 100 MVA (megawatt-ampere).

Além de produzir e transmitir eletricidade, os supercondutores podem também ser usados para armazená-la. Existem dois tipos principais de baterias que podem ser construídas. O primeiro tipo é o das SMES (super-conducting magnetic energy storage), veja Fig. 10(a), que podem ser descritas como bobinas gigantes, matendo uma alta corrente, que podem ser usadas quando desejado. O segundo tipo é chamado comumente de "flywheel" e consiste em um ímã permanente em formato cilíndrico, com grande massa, girando com alta velocidade sobre um supercondutor, veja Fig. 10(b). Esta bateria utiliza-se do efeito Meissner, que faz os supercondutores repelirem fortemente qualquer imã permanente.

As baterias supercondutoras são especialmente interessantes na estabilização de redes elétricas, em especial as SMES. Em março de 2000, por exemplo, foi encomendada a fabricação de um conjunto delas SMES para a estabilização da rede do estado de Winconsin - EUA. Um conjunto destas SMES é capaz de reservar mais de 3 milhões de watts para ser usado durante pequenos blecautes.

B. Trem magneticamente levitado (MAGLEV)

Como altas correntes elétricas podem ser mantidas nos supercondutores, altos campos magnéticos podem ser gerados, de acordo com as leis da eletricidade e magnetismo. Uma das aplicações é a levitação magnética que pode ser utilizada em veículos de transporte, como trens, eliminando a fricção com os trilhos. Trens desse tipo podem ser feitos com magnetos convencionais, pois utilizam basicamente atração e repulsão magnéticas na levitação. Entretanto, os magnetos convencionais desperdiçam energia elétrica na forma de calor e precisam ser bem maiores que os magnetos supercondutores para fornecerem os campos magnéticos necessários à levitação. Na década de 90, trens comerciais começaram a ser desenvolvidos principalmente no Japão, onde o desenvolvimento da tecnologia MA-GLEV ganhou apoio maciço do governo. Recentemente o último protótipo desenvolvido, MLX01 (veja Fig. 11), chegou a 552 Km/h em uma composição tripulada, de 5 vagões. Outros trens estão sendo desenvolvidos e devem entrar em operação nos próximos anos na Alemanha e nos Estados Unidos.

C. Ressonância magnética nuclear

Outra aplicação para os altos campos magnéticos obtidos dos supercondutores é a fabricação e utilização de aparelhos de ressonância magnética nuclear (RMN). O princípio de funcionamento desses aparelhos é baseado na ressonância que os átomos de hidrogênio entram na aplicação de campo magnético forte. Os átomos de H presentes nas moléculas de água e de gordura absorvem a energia magnética e a emitem numa freqüencia, que é, detectada e analisada graficamente em um computador. A Fig. 12 mostra uma imagem por RMN. O diagnóstico através de imagens deste tipo tornou-se atualmente um procedimento médico indispensável devido, principalmente, ao desenvolvimento da capacidade de processamento dos computadores, necessária na análise da grande quantidade de dados que é gerada durante os exames.

Desde a descoberta da supercondutividade a altas temperaturas em cerâmicas 15, anos atrás, os pesquisadores praticamente ignoraram compostos metálicos simples porque, em geral, superconduzem a temperaturas muito baixas. Assim, foi um choque quando nos primeiros meses de 2001, a comunidade científica tomou conhecimento da descoberta de Akimitsu e seus colaboradores[10]. Um composto intermetálico com T_c = 39K acima de qualquer outra liga metálica, tinha sido descoberto. Segundo Cav[11], o que torna a descoberta ainda mais fantástica é que ela foi feita praticamente ao acaso, por um grupo de cientistas que não estavam interessados em supercondutividade. Akimitsu e seu grupo estavam procurando um material semicondutor similar ao CaB₆. Eles tentaram substituir o Ca por Mg, que está logo acima na tabela periódica. Como liga inicial, eles sintetizam o MgB₂, um composto simples com o processo de fabricação conhecido desde 1954[12, 13] e vendido por fornecedores de materiais inorgânicos por aproximadamente 3 dólares o grama[14]. Tamanho deve ter sido o susto quando eles descobriram o valor da temperatura crítica do composto.

Segundo o artigo original de Akimitsu et al., as amostras de MgB₂ foram preparadas na maneira usual, misturando-se Magnésio em pó (99.9% Mg) e Boro amorfo, também em pó, (99% B) na razão apropriada (Mg:B = 1:2). As amostras foram, então, prensadas e aquecidas a 973 K sob alta pressão de argônio (196 MPa), por 10 horas. Exames da amostra resultante por difração de raio X revelaram a formação da estrutura hexagonal do MgB₂, como mostra a Fig. 13. O estado supercondutor foi, então, demonstrado, medindo a resistividade e a magnetização da amostra na presença de campo magnético. Na Fig. 14 podemos ver a susceptibilidade no MgB₂. Devido ao efeito Meissner, a amostra se magnetiza na direção oposta ao campo magnético, e portanto a susceptibilidade, que é a razão da magnetização pelo campo magnético, é negativa. Quando o efeito Meissner não é perfeito, os valores da susceptibilidade ficam entre -1 e 0, como é o caso. Na Fig. 15 podemos ver a perda da resistividade a 39 K.

A. Fabricação de MgB₂ em pó e dependência isotópica de T_c

Após a sistematização da produção, eles zeram substituições isotópicas. Trocando o isótopo ¹¹B, que forma 80% do Boro presente na natureza, por ¹⁰B, eles descobriram que o Tc aumentava em 1.0 K, veja Fig. 16. Essa dependência isotópica de T_c verificada é consistente com a prevista na teoria BCS, ou seja, proporcional a M^1/2. Assim, mesmo tendo um T_c incrivelmente grande, o MgB₂ é um supercondutor convencional, com os fônons gerados pelos átomos de B mediando a interação entre elétrons na formação dos pares de Cooper.

B. Fabricação de fios

Dados o alto T_c do MgB₂ e a abundância dos elementos Mg e B na crosta terrestre, (o magnésio é o oitavo elemento mais abundante na Terra), a questão imediata que fica é se o processo de fabricação de fios é simples e barato, e o principal, se os fios são capazes de transportar altas correntes elétricas. Este, de fato, é o problema principal enfrentando na utilização das cerâmicas supercondutoras em aplicações do dia a dia. Em um trabalho recente, Canfield[15] e colaboradores descrevem um processo de fabricação de fios bem simples e barato, utilizando fibras de Boro e Magnésio fundido, veja Fig.17. Como o ponto de fusão do Mg é de 922 K e o do B é de 2573 K (950-C) leva em conta a alta difusão do Mg pelas fibras de B. As fibras de B são seladas juntamente com Mg em pó, em um tubo de Ta, na razão estequiométrica correta, o tubo é, então, lacrado em uma ampola de quartzo e levado ao forno. Após aproximadamente duas horas de reação, a ampola é removida do forno e resfriada à temperatura ambiente. A aparência deformada dos fios, logo após a retirada do tubo de Ta, pode ser observada na Fig. 18. As fibras flexíveis e retas de B mostram-se deformadas e quebradiças após a reação. Segundo Canfield, os fios eram 80% densos e mostraram resistividade de 9.6 mWcm à temperatura ambiente. Isso quer dizer que, mesmo no estado normal, os fios de MgB₂ são bons condutores de eletricidade, melhores até que o chumbo, cuja resistividade é 21mWcm. Os fios podiam ainda transportar correntes de até J_c = 60kA/cm². O comprimento máximo alcançado foi 5cm, mas fios maiores poderiam ser construídos, considerando-se a proteção externa com revestimento.

C. Vantagens e aplicações em potencial

O entusiasmo com a redescoberta do MgB₂ justifica-se por duas razões principais. Primeiro, porque a liga, como vimos anteriormente, superconduz seguindo a teoria BCS[4]. Assim, diferentemente das cerâmicas supercondutoras, a liga parece ser um supercondutor convencional, como a maioria dos metais, mas com uma temperatura surpreendentemente alta. Segundo, porque, sendo uma liga metálica, é grande a expectativa de que ela se torne o material preferido na manufatura de os que são a base para as aplicações do dia-a-dia. Com T_c de 39K, é bem possível que não seja necessária a refrigeração com hélio líquido, o que reduz significativamente os custos das aplicações.

D. Conclusão

Os estudos iniciais do MgB₂ indicam que o material tem grande chance de se tornar o supercondutor preferido para aplicações, substituindo as até agora preferidas ligas de Nióbio. Assim, magnetos de alto campo, usados em máquinas de ressonância magnética, trens MAGLEVs, etc; cabos de transmissão; SMES e várias outras aplicações poderão ter seu custo reduzido com o uso do MgB₂. Talvez em alguns anos um exame de ressonância magnética, por exemplo, saia pela metade do preço com o uso do MgB₂ em vez das ligas de Nióbio.

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