Renasce o sonho da supercondutividade a temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/12/2014

O cristal de YBCO tem uma estrutura especial: duas camadas finas de óxido de cobre alternadas com camadas intermediárias mais espessas com bário, cobre e oxigênio.
[Imagem: Wikipedia]

Supercondutividade a temperatura ambiente

Os supercondutores transportam a eletricidade sem qualquer resistência e, portanto, sem qualquer perda de qualquer natureza.

Eles já são usados em alguns nichos, como ímãs para aparelhos de tomografia e aceleradores de partículas. Mas poderiam estar revolucionando praticamente todo o parque elétrico se não precisassem ser resfriados a temperaturas criogênicas para funcionar.

No ano passado, um experimento nesse sentido fez o coração dos físicos dispararem: quando eles direcionaram pulsos muito curtos de um laser infravermelho sobre uma cerâmica, eles conseguiram pela primeira vez torná-la supercondutora a temperatura ambiente.

A supercondutividade a temperatura ambiente dura apenas o tempo de vida do pulso ultracurto do laser, mas o efeito foi suficiente para mexer com toda a comunidade de pesquisadores que trabalha na área.

YBCO

Agora, uma equipe internacional ofereceu uma explicação para o efeito, o que poderá ajudar no desenvolvimento de materiais que se tornam supercondutores a temperaturas significativamente mais elevadas do que as atuais de forma sustentada - e, eventualmente, a supercondutores verdadeiramente de alta temperatura.

A cerâmica envolvida é o óxido composto de ítrio, bário e cobre (YBCO), um dos materiais mais promissores para aplicações como cabos supercondutores, motores e geradores elétricos de alta eficiência - esses materiais são conhecidos como cupratos, devido à sua base de cobre (Cu).

O cristal de YBCO tem uma estrutura especial: duas camadas finas de óxido de cobre alternadas com camadas intermediárias mais espessas com bário, cobre e oxigênio.

A supercondutividade tem sua origem nas camadas duplas finas de dióxido de cobre. É lá que os elétrons podem se juntar para formar os chamados pares de Cooper. Esses pares podem tunelar entre as diferentes camadas, o que significa que eles podem passar por estas camadas como fantasmas atravessando paredes - um típico efeito quântico.

O cristal somente se torna supercondutor abaixo de uma temperatura crítica, que torna possível o tunelamento dos pares de Cooper não apenas dentro das camadas duplas, mas também através das camadas mais espessas até a próxima camada dupla acima. Acima da temperatura crítica, a cerâmica se comporta normalmente como um condutor muito fraco.

Ilustração mostra as oscilações dos átomos de oxigênio - induzidas pelo pulso de laser - entre as camadas duplas de CuO2, fazendo a dimensão das camadas alterar-se o suficiente para gerar a supercondutividade a temperatura ambiente.
[Imagem: Jörg Harms/MPI]

Criando a supercondutividade a temperatura ambiente

Quando o cristal de YBCO é irradiado com um pulso de laser infravermelho, nesse breve instante ele se torna supercondutor a temperatura ambiente.

O que acontece é que o pulso infravermelho não apenas energiza os átomos, fazendo-os oscilar, mas também desloca sua posição no cristal. Esse deslocamento é suficiente para tornar as camadas duplas de dióxido de cobre mais grossas - dois picômetros mais grossas, ou um centésimo do diâmetro de um átomo. Ao mesmo tempo, a camada intermediária torna-se mais fina na mesma medida.

Esse redimensionamento aumenta o acoplamento quântico entre as camadas duplas em uma magnitude suficiente para que o cristal se torne supercondutor a temperatura ambiente durante alguns milionésimos de microssegundo, o tempo de vida do pulso de laser.

Promessas de revolução

Por um lado, esse entendimento ajuda a refinar a teoria ainda incompleta e controversa que tenta explicar a supercondutividade.

"Por outro lado, pode ajudar os cientistas de materiais a desenvolver novos supercondutores com temperaturas críticas mais elevadas," disse o professor Roman Mankowsky, do Instituto Max Planck, na Alemanha, um dos membros da equipe que desvendou o mistério. "E, em última instância, pode ajudar a alcançar o sonho de um supercondutor que opere a temperatura ambiente, sem necessitar de qualquer refrigeração."

Hoje, os ímãs, motores e cabos supercondutores são arrefecidos a temperaturas criogênicas com nitrogênio líquido ou hélio. Se este complexo sistema de resfriamento não for mais necessário, isto significaria uma verdadeira revolução na geração, distribuição e uso da energia elétrica.

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