CURIOSIDADES DA FÍSICA
José Maria Filardo Bassalo
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Supercondutividade de Alta Temperatura e o Prêmio Nobel de Física (PNF) de 1987.

 

O PNF de 1987 foi concedido aos físicos, o suíço Karl Alexander Müller (n.1927) e o alemão Johannes Georg Bednorz (n.1950), pela descoberta das cerâmicas supercondutoras. Em verbetes desta série, vimos que o fenômeno da supercondutividade foi descoberto em 1911, pelo físico holandês Heike Kamerlingh-Onnes (1853-1926; PNF, 1913), com a colaboração de seu mestre artífice, o holandês Gerrit Jan Flim (1875-1970) e de seu aluno, o físico holandês Gilles Holst (1886-1968), ao observarem que na temperatura crítica (TC) de ~ 4.2 K, a resistência elétrica do mercúrio (Hg) caía bruscamente para 10-5 ohms. Em 1913, Onnes observou que a corrente elétrica desfazia o estado supercondutor do Hg. Mais tarde, em 1916, o físico norte-americano Francis Briggs Silsbee (1889-1967) confirmou essa observação de Onnes, porém afirmou que a quebra do estado supercondutor devia-se ao campo magnético associado à corrente elétrica e não à corrente em si.

                   Durante muitos anos depois dessa descoberta de Onnes, acreditou-se que, exceto pelo fato de apresentarem resistência quase nula, esses novos materiais, denominados posteriormente de supercondutores, possuíam as mesmas propriedades que os condutores normais. Somente em 1933, os físicos alemães Fritz Walther Meissner (1882-1974) e Robert Ochsenfeld (1901-1993) descobriram que o estado supercondutor é diamagnético, descoberta essa mais tarde conhecida como efeito Meissner-Ochsenfeld (vide verbete nesta série). A partir daí, começaram a surgir teorias fenomenológicas para explicar esse fenômeno físico.

                   Com efeito, ainda na década de 1930, duas teorias fenomenológicas foram desenvolvidas para explicar a supercondutividade: a termodinâmica, desenvolvida pelos físicos holandeses Cornelis Jacobus Gorter (1907-1980) e Hendrik Brugt Gerhard Casimir (1909-2000), em 1934; e a eletrodinâmica, elaborada pelos físicos alemães, os irmãos London, Fritz Wolfgang (1900-1954) e Heinz (1907-1970), em 1935, teorias essas que receberam, em 1950, um tratamento quanto-mecânico por parte dos físicos russos Vitaly Lazarevich Ginzburg (n.1916; PNF, 2003) e Lev Davidovich Landau (1908-1968; PNF, 1962), tratamento esse que ficou conhecido como Teoria de Landau-Ginzburg, na qual os efeitos cooperativos dos elétrons são descritos por um campo escalar complexo. Também em 1950, o físico alemão Herbert Fröhlich (1905-1992) e, independentemente, o físico norte-americano John Bardeen (1908-1991; PNF, 1956; 1972), propuseram que o estado supercondutor era devido à interação entre os elétrons e a vibração (fônon) dos átomos no cristal, interação essa mais tarde conhecida como interação elétron-fônon. Logo depois, em 1952, Fröhlich apresentou a ideia de que essa interação produzia uma atração entre elétrons, e que em muitos metais essa atração era ligeiramente superior à repulsão coulombiana eletrônica. Em 1956, o físico norte-americano Leon Neil Cooper (n.1930; PNF, 1972) mostrou que, se um elétron passar nas proximidades de um íon positivo de um cristal supercondutor interage com o mesmo, provoca a vibração da rede cristalina e a consequente emissão de um fônon. Contudo, se um segundo elétron passar, subsequentemente, pelo mesmo íon, ele absorverá esse fônon, trocando momentos lineares, e os dois elétrons caminharão juntos no menor estado de energia possível, constituindo o que ficou conhecido desde então como o par de Cooper (vide verbete nesta série).

                   As Teorias Fenomenológicas da Supercondutividade tratadas acima, indicavam que havia necessidade do desenvolvimento de uma Teoria Microscópica da Supercondutividade, uma vez que naquelas teorias ficava evidente que o fenômeno da supercondutividade se devia, de algum modo, à interação elétron-fônon. Desse modo, em 1957, Bardeen, Cooper e o físico norte-americano John Robert Schrieffer (n.1931; PNF, 1972) desenvolveram a hoje célebre Teoria BCS (vide verbete nesta série), segundo a qual o estado supercondutor deve-se, essencialmente, a uma condensação de elétrons em pares de Cooper de momento linear comum e sendo representada por uma função de onda coerente única.  Em 1958, o físico russo Nikolai Nikolaevich Bogoliubov (1900-1992) e, independentemente, o físico norte-americano Philip Warren Anderson (n.1923; PNF, 1977), apresentaram também uma Teoria Microscópica da Supercondutividade. No entanto, enquanto Bogoliubov usou o conceito de quase-partícula, pois, para ele, a supercondutividade é descrita por uma mistura coerente de elétrons e dessas “partículas” (sobre essas “partículas” ou “buracos”, ver verbete nesta série), Anderson usou o conceito de localização: estado isolado quando um metal não-interagente é submetido a um grande potencial randômico.

                   Desde a descoberta da supercondutividade, a temperatura em que ocorre o estado supercondutor tem sido uma das grandes dificuldades para a operacionalidade dos supercondutores. Durante algumas décadas, a maior temperatura em que se conseguia o estado supercondutor era de ~ 4.2 K (~ - 2690 C), conseguida por Onnes, em 1911, conforme vimos acima. Contudo, em 1953 (Physical Review 92, p. 874), o físico germano norte-americano Bernd Teo Matthias (1918-1980) observou que alguns compostos (ligas) do nióbio (Nb) [com carbono (C), nitrogênio (N), estanho (Sn) e alumínio (A)] se tornavam supercondutores em temperaturas maiores do que 4.2 K. Por exemplo: < 15 K (< ~ - 2580 C) para os compostos  NbC e NbN; e ~ 17 K (~ - 2460 C) para os compostos Nb3Sn e Nb3A. Em 1964 (Physical Review Letters 12, p. 474), J. F. Scholey, W. R. Hosler e Marvin L. Cohen mostraram a supercondutividade do óxido metálico titanato de estrôncio (SrTiO3) na temperatura de 0,3 K (< - 2730 C). Quase uma década depois, em 1973 (Applied Physics Letters 23, p. 480), John R. Gavaler observou que ligas de nióbio e germânio (Nb3Ge) se tornavam supercondutoras na temperatura crítica de 23,2 K (~ - 2500 C). Em 1979, férmions pesados, com um composto de urânio e platina (UPt3), também se tornavam supercondutores na temperatura de ~ 1 K (~ - 2720 C) [Graham P. Collins, Scientific American Brasil 88, p. 48 (Setembro de 2009)]. Nessa época, parecia ser essa a máxima temperatura (TC) necessária para conseguir-se um estado supercondutor, até as descobertas de Müller e Bednorz.

                   Müller defendeu, em 1958, sua Tese de Doutoramento no Swiss Federal Institute of Technology [“Instituto Federal de Tecnologia Suíça” (IFTS)], em Zurique, na Suíça, trabalhando com G. Busch, especialista em Ressonância Paramagnética Eletrônica [“Electronic Paramagnetic Resonance“ (EPR)]. Depois de trabalhar alguns anos no Instituto Battelle, em Genebra, também na Suíça, liderando um grupo de pesquisas em EPR, Müller aceitou, em 1963, o convite para reunir-se ao grupo de pesquisas do físico suíço Ambros P. Speiser (1922-2003), então Diretor do recente Laboratório de Pesquisas, fundado pela International Business Machines (IBM), em Rüschlikon, ainda na Suíça. Lá, em companhia de Walter Berlinger, trabalhou com o novo duplo-óxido de estrôncio titânio (SrTiO3) e com cerâmica envolvendo o óxido de cobre (CuO2) (perovskite ou cupreto/cuprato) e o lantânio (La): La2CuO3. Em 1982, tornou-se Fellow da IBM e, nesse mesmo ano, convidou Bednorz (que acabara de doutorar-se no IFTS) para participar de seu grupo de pesquisas que liderava naquele Laboratório. Registre que Bednorz, ainda como aluno de graduação na Universidade de Münster (UM), na Alemanha, havia feito um estágio no referido Laboratório da IBM, entre 1972 e 1974, objetivando desenvolver pesquisas para obter seu Diploma de Graduação na UM, o que aconteceu em 1976. No ano seguinte, ele foi para o IFTS, segundo registramos. É interessante destacar que o perovskite recebeu esse nome em virtude dos trabalhos realizados pelo mineralogista russo, o Conde Lev Aleksevich von Perovski (1792-1856), com minerais naturais, com uma particular estrutura atômica, principalmente, o titanato de cálcio (CaTiO3). [Per Fridtjof Dahal, Superconductivity: Its Historical Roots and Development from Mercury to The Ceramics Oxides (American Institute of Physics, 1992)].

                      Em 1983, Müller e Bednorz iniciaram suas pesquisas testando sistematicamente a supercondutividade em novas cerâmicas. Finalmente, em janeiro de 1986, depois de haver testado quase 10 mil amostras de cerâmicas, encontraram uma cerâmica do tipo cuprato com La e bário (Ba): BaxLa2-xCuO4-, que se tornava supercondutora na temperatura crítica (TC) em torno de 30 K (~ - 2430 C). Note que TC depende de x e, portanto, ela atinge o valor máximo ~ 35 K (~ - 2380 C) para x = 0.15.  Essa descoberta de Müller e Bednorz foi anunciada em abril de 1986, em artigo publicado na Zeitschrift für Physik B64, p. 189, e no ano seguinte foram agraciados com o PNF. É interessante registrar que Müller teve a ideia de testar a supercondutividade no tipo de cerâmica que utilizou, quando estava sentado nos jardins do Monastério Medieval em Erice, na Itália, no verão de 1983. Mais tarde leu o trabalho dos químicos franceses Claude Michel e Bernard Raveau, escrito em 1982 (Journal of Solid State Chemistry 43, p. 73), no qual indicava que, em um composto cerâmico daquela classe, havia sinais de condutância elétrica. Aliás, esses sinais já haviam sido observados por Michel, Raveau, L. Er-Rakho e J. Provost, em 1981 (Journal of Solid State Chemistry 37, p. 151). [Karl Alexander Müller and Johannes Georg Bednorz, Nobel Lectures (08 de Dezembro de 1987)].

                   Logo em 1987, dois grupos de pesquisadores, formados por Paul (Ching-Wu) Chu (n.1941) (aluno de Matthias), P. H. Hor, R. L. Meng, L. Gao, Z. J. Hang e Y. Q. Wang (Physical Review Letters 58, p. 405) da Universidade de Houston, e por R. J. Cava, R. B. van Dover, B. Batlogg e E. A. Rietman (Physical Review Letters 58, p. 408), dos Bell Laboratories, anunciaram que haviam conseguido cerâmicas supercondutoras envolvendo cupratos formadas, respectivamente, dos compostos LaBaCuO [~ 40 K (~ - 2330 C)] e LaSrCuO [~ 36 K (~ - 2370 C)]. Ainda por essa mesma época, Maw-Kuen Wu (aluno de Chu) e seu grupo, da Universidade do Alabama, juntaram-se ao grupo de Chu e, ao substituírem o La pelo ytrio (Y), e em um trabalho conjunto (Wu, Jim R. Ashburn, Chuan-Jue Torng, Hor, Meng, Gao, Huang, Wang e Chu) anunciaram no começo de 1987 (Physical Review Letters 58, p. 908), que haviam obtido uma nova cerâmica supercondutora com a composição YBaCuO, cuja temperatura era ~ 93 K (~ - 1800 C). Essa descoberta foi confirmada por Hor, Gao, Meng, Huang, Wang, K. Forster, J. Vassilious e Chu, ainda em 1987 (Physical Review Letters 58, p. 911). É oportuno destacar que a descoberta do composto YbaCuO, com nitrogênio (N), foi também anunciada independentemente pela equipe do físico chinês Zhong-Xian Zhao (n.1941) do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências, cujo estudo ele havia iniciado no final de 1986. É interessante registrar que essas novas descobertas sobre cerâmicas supercondutoras na base de cupratos foram anunciadas no Simpósio da Sociedade Americana de Física, realizado em março de 1987, no Hotel Hilton de Nova York, com a participação de 2000 físicos, e que ficou conhecido como o “Woodstock da Física” (Dahal, op. cit.).

                   Na década de 1990, novos supercondutores foram descobertos. Por exemplo, logo em 1991, foi observado que cristais feitos de buckminsterfullereno ou fulereno (C60) [que é uma estrutura formada de 60 átomos de carbono (C) organizados nos vértices de um icosaedro truncado, tendo a forma de uma bola de futebol (com 12 pentágonos e 20 exágonos), e descoberta em 1985 (Nature 318, p. 162), por H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O´Brien, R. F. Curl e R. E. Smalley] dopados com metais alcalinos como potássio (K), rubídio (Rb) e césio (Cs), se tornam supercondutores no seguinte intervalo de TC: 18 - 33 K (~ - 255 - 2400 C). Mais tarde, em 1995, um cuprato com mercúrio (Hg), cálcio (Ca) e Ba (HgBa2Ca2Cu3O8) e dopado com tálio (T), tornou-se supercondutor na temperatura crítica (TC) de 138 K (~ - 1350 C), na pressão atmosférica, e atingiu a temperatura TC de 164 K (~ - 1090 C), em altas pressões. Veja uma relação de outros cupratos, com a respectiva TC, em: Paulo S. Branício, Revista Brasileira de Ensino de Física 23, p. 381, 2001.

                   Por fim, na atual década de 2000, novas surpresas aconteceram com compostos que se tornam supercondutores e que são diferentes dos cupratos. Logo em 2001 (Nature 410, p. 63), os físicos japoneses J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zenitani e Jun Akimitsu anunciaram que o diboreto de magnésio (MgB2) (conhecido desde 1950) se torna supercondutor na temperatura crítica (TC) de 39,2 K (~ - 2330 C). Essa descoberta foi confirmada, em 2002 (Physics World 15, p. 29), por Paul C. Canfield e Sergey L. Bud´ko. Esse supercondutor, diferentemente dos cupratos, é explicado pela Teoria BCS. [Paul C. Canfield e Sergey L. Bud´ko, Scientific American Brasil 81, p. 76 (Maio de 2005)]. Uma nova surpresa sobre os compostos químicos que exibem supercondutividade foi decorrente da descoberta realizada pela equipe de pesquisa do físico japonês Hideo Hosono no Instituto de Tecnologia de Tóquio, em 2006, segundo a qual os pnictogenetos de ferro, formados com base no arsenieto de ferro (FeAs), se tornavam supercondutores no seguinte intervalo de temperatura crítica TC: 4 - 56 K (~ - 269 - 2170 C). Em 2007 (Nature 447, p. 569), Kenjiro K. Gomes, Abhay N. Pasupathy, Aakash Pushp, Shimpei Ono, Yoichi Ando e Ali Yazdani, da Universidade de Princeton trabalharam com um outro cupreto, envolvendo bismuto (Bi), Ca e Sr, o composto: Bi2Sr2CaCu2O8+cuja temperatura crítica é de ~ 90 K (~ - 1830 C). Um ano depois, em 2008 (Journal of the American Chemical Society 130, p. 3296), Hosono e seu grupo (Yoichi Kamihara, Takumi Watanabe e Masahiro Hirano) anunciaram que o composto do tipo La (O1-xFx )FeAs, com x = 0,05-0,12, tornava-se supercondutor em 26 K (~ - 2470 C). Também em 2008 (Superconductor Science and Technology 21, 082001), os físicos chineses Jie Yang, Zheng-Cai Li, Wei Lu, Wei Yi, Xiao-Li Shen, Zhi-An Ren, Guang-Can Che, Xiao-Li Dong, Li-Ling Sun, Fang Zhou e Zhao anunciaram a descoberta de uma nova família de pnictogenetos de ferro com gadolínio (Gd), o composto GdFeAsO1-, que atingiu TC = 53,5 K (~ - 2200 C). Até o presente momento, ainda se discute sobre a aplicabilidade da Teoria BCS nos cupratos e nos pnictogenetos de ferro, como se pode ver em: Jan Zaanen, Nature 457, p. 546 (Janeiro de 2009); D. G. Hinks, Nature Physics 5, p. 386 (junho de 2009); Graham P. Collins, Scientific American Brasil 88, p. 48 (Setembro de 2009); e Antonio R. de C. Romaguera, Cristiane Moraes Smith e Mauro M. Doria, Ciência Hoje 44, p. 42 (Setembro de 2009).