Opinião de especialista: Supercondutividade em alta temperatura
Antecipando o grande relatório sobre o laboratório “Metamateriais supercondutores” , que estamos preparando de acordo com os resultados da votação geral , continuamos a falar sobre supercondutividade.Há uma semana, publicamos um artigo de Alexei Basharin sobre o “anapolo” não irradiante , após o qual uma discussão científica real começou com a participação do autor do artigo. O artigo coletou mais de cem comentários, muitas propostas foram recebidas em relação ao formato do material apresentado na publicação. Levamos em conta todos os desejos e pedimos ao cientista líder K. B. A Efetova escreve para nós uma opinião de especialistas no formato popular de ciência sobre supercondutividade a alta temperatura, pela descoberta de supercondutividade em alta temperatura de cuprates, o Prêmio Nobel foi concedido cerca de 30 anos atrás.Konstantin Borisovich Efetov é o diretor científico do projeto “Fenômenos coletivos em matéria quântica” NUST “MISiS” como parte de uma doação para apoiar a pesquisa científica do programa TOP 5-100. K.B. Efetov é um excelente revisor da Sociedade Americana de Física, diretor do Instituto de Física Teórica da Terceira Universidade do Ruhr de Bochum, na Alemanha, membro honorário da Sociedade Americana de Física , pesquisador líder de três projetos financiados pelo Ministério Alemão de Pesquisa Científica, autor de mais de 170 publicações, vencedor do prêmio Blaise Pascal francêsestabelecido pelo governo francês e o Prêmio de Pesquisa Landau-Weizman, estabelecido pelo Instituto Weizmann em Israel. Konstantin Efetov é "um excelente revisor da American Physical Society". Este prêmio é concedido por sua notável contribuição a artigos revisados por pares em periódicos como Physical Review Letters, Physical Review, Reviews of Modern Physics e outros.
Um ímã levitando sobre um supercondutor de alta temperatura, resfriado por nitrogênio líquido
| Konstantin Borisovich Efetov
Diretor Científico do projeto “Fenômenos Coletivos em Matéria Quântica” NUST “MISiS”
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A supercondutividade é um dos fenômenos mais bonitos da física quântica. Foi descoberto pelo físico holandês Kamerlingh-Onnes em 1911, que aprendeu a resfriar materiais usando hélio liquefeito a uma temperatura de 1,5 K (-271,5 C). Estudando as propriedades elétricas dos metais resfriados, Kammerling-Onnes descobriu que a resistência do mercúrio sólido imerso no hélio líquido desaparece e, portanto, a condutividade se torna infinita. Essa propriedade foi chamada de supercondutividade e Kammerling-Onnes recebeu o Prêmio Nobel em 1913.A supercondutividade foi descoberta mais tarde em muitos metais, mas a teoria microscópica desse fenômeno misterioso foi construída apenas em 1957 pelos físicos americanos Bardin, Cooper e Schriffer (Bardeen, Cooper, Schrieffer), que receberam o Prêmio Nobel por este trabalho em 1972.Vale ressaltar que a teoria fenomenológica correta da supercondutividade foi proposta pelos físicos soviéticos Ginzburg e Landau em 1950. Fenômenos interessantes em supercondutores foram previstos usando a teoria de Ginzburg-Landau por Alexei Abrikosov. Todos os três também são vencedores do Prêmio Nobel. É importante observar que por muitos anos Abrikosov foi o chefe do Departamento de Física Teórica do MISiS. Agora, este departamento é chamado de "Departamento de Física Teórica e Tecnologias Quânticas", onde trabalho no âmbito do projeto "Top5-100".
O fato de levar 46 anos para explicar a supercondutividade não é coincidência. Esse fenômeno foi descoberto mesmo antes da criação da mecânica quântica e não pôde ser explicado de forma alguma com base na mecânica newtoniana clássica e na eletrodinâmica clássica de Maxwell. A teoria da supercondutividade é baseada no conceito de condensação de Bose-Einstein. De acordo com esse conceito, partículas com um spin quântico inteiro (bósons) devem formar um estado em que todas as partículas sejam coerentes (condensadas) ou, em outras palavras, elas se sintam por todo o volume do sistema. O movimento desse condensado como um todo leva ao fato de que ele não é inibido por várias impurezas ou inomogeneidades no metal, levando a resistência zero.Parece que esta é a explicação da supercondutividade? Mas isso não é verdade.
A corrente elétrica nos metais surge devido ao movimento dos elétrons, e essas são partículas elementares com um giro de um segundo. Mas as partículas com um spin meio inteiro (férmions) não formam condensado e não há outras partículas móveis nos metais. Como o condensado pode ser obtido? Acontece que dois elétrons com rotações opostas podem formar pares com zero total de rotação, e esses pares já são bósons e podem formar um condensado de Bose. Esses pares de elétrons são chamados pares de Cooper (Cooper, um dos fundadores da teoria da supercondutividade, os inventou), e sua condensação leva ao fenômeno da supercondutividade. Mas isso não é tudo. É fácil imaginar que, para o emparelhamento de elétrons, é necessária sua atração um pelo outro. Mas é bem conhecido da eletrodinâmica clássica que duas partículas com carga igual repelem,não atraído.Havia uma maneira de sair dessa contradição. Acontece que a atração entre elétrons pode ocorrer através da troca de fônons - vibrações quânticas da rede de átomos de metal, e esse fato já tornou possível concluir a construção da teoria da supercondutividade. Agora é fácil entender por que se passaram 46 anos entre a descoberta do fenômeno da supercondutividade e sua explicação. Cada passo na construção de uma teoria foi revolucionário, e havia muitos passos. E tudo isso foi feito para explicar o fenômeno, que pode ser observado em um pequeno laboratório, que não requer aceleradores poderosos ou vôos no espaço.Agora imagine que seria possível fazer um fio de material supercondutor. Nesse caso, a energia não seria perdida durante a transmissão a qualquer distância, e por que não tentar?
Infelizmente, existe um "mas" nesta questão: como já mencionamos, a supercondutividade surge a temperaturas muito baixas, um fio supercondutor que teria que ser resfriado com hélio líquido. Ao mesmo tempo, o resfriamento do hélio em si exige custos muito altos de energia (e, consequentemente, dinheiro), e o uso de fios supercondutores seria muito mais caro que o custo das perdas de energia. É fácil entender que esforços consideráveis no estudo adicional das propriedades dos supercondutores foram gastos no estudo da possibilidade de obter supercondutividade em temperaturas mais altas. Idealmente, é claro, eu gostaria de obter supercondutividade à temperatura "ambiente" de 300 K (27 C). Mas supercondutores com temperatura de transição acima do ponto de liquefação de nitrogênio (77 K) seriam muito úteis,uma vez que a produção de nitrogênio líquido é muito mais barata que a produção de hélio líquido.No entanto, inúmeras tentativas de obter supercondutores com temperatura tão alta não levaram ao sucesso até meados dos anos 80. Além disso, foram feitas estimativas teóricas para modelos baseados no mecanismo elétron-fônon do emparelhamento de elétrons, com temperaturas de transição não superiores a 25 K, o que não foi suficiente para aplicações industriais., 1986 , , 1987 . , , . «». . -, , .
Hoje, as temperaturas das transições supercondutoras em cuprates atingem 140 K (-137 C) . Ainda está bem abaixo da temperatura ambiente, mas já bem acima do ponto de ebulição do nitrogênio. A última circunstância já levou a aplicações práticas de supercondutores de alta temperatura. Já existem empresas que produzem fios revestidos com metais convencionais com "enchimento de cuprato".No entanto, a questão da criação de supercondutores à temperatura ambiente ainda não foi resolvida. Uma simples enumeração de vários compostos químicos não parece uma maneira promissora de obter supercondutividade à temperatura ambiente, já que o número de compostos possíveis é enorme. Seria muito mais razoável primeiro entender por que a temperatura de transição nos cuprates é muito mais alta que as temperaturas correspondentes nos metais "comuns".A troca de fônons é a principal razão para o emparelhamento de elétrons em cupratos, como é o caso dos metais comuns?
Para responder a essa pergunta, um grande número de teóricos e experimentadores se comprometeu a estudar o mecanismo da formação de supercondutividade em cupratos. Hoje, a maioria dos cientistas acredita que o mecanismo fonon de emparelhamento de elétrons é improvável. O número de propostas apresentadas até o momento é grande e todas são difíceis de listar. Naturalmente, todos prometem a alta temperatura da transição supercondutora. Mas o que precisa ser feito para escolher um mecanismo único que explique sem ambiguidade a origem da supercondutividade e cuja ação já poderia ser melhorada verificando e alterando os compostos químicos?Certamente, um cálculo preciso da temperatura de transição para cada um dos compostos de cuprato e para todos os mecanismos propostos, além de comparação com dados experimentais, poderia ajudar a escolher o mecanismo "correto". Infelizmente, esse método de usar a "força bruta" é praticamente impossível, pois não possui energia suficiente para computadores existentes na Terra.Como sempre, é melhor pensar sobre isso, teóricos de todo o mundo e, em particular, o grupo da NUST "MISiS", que eu lidero. A idéia básica é que um modelo razoável de supercondutividade explique não apenas a supercondutividade, mas também vários outros fenômenos em cupratos. Existem muitos desses fenômenos em cupratos. Por exemplo, há vários anos, a existência de modulação de uma carga eletrônica foi descoberta. Portanto, a teoria correta também deve explicar esse fenômeno, o que reduz significativamente o número de candidatos ao papel do mecanismo de emparelhamento de elétrons. Trabalhando no problema da supercondutividade em alta temperatura, começamos com um modelo de elétrons interagindo através da troca de flutuações de magnetização. Essa suposição pode ser justificada pelo fato de que as cupratas, quando dopadas com átomos de oxigênio, sofrem uma transição metálica normal antiferromagnet.A supercondutividade pode aparecer apenas no estado metálico, mas a proximidade de um antiferromagneto torna bastante provável a suposição da troca de flutuações antiferromagnéticas.
— - - (). AF- , SC- , PG – , , . K.B. Efetov, H. Meier, C. Pepin, Nat. Phys. 9, 442 (2013)
Usando essa suposição, já conseguimos explicar vários fenômenos importantes em cupratos, mas o tempo todo temos que acompanhar novos dados experimentais que nos permitem corrigir ou refinar os resultados teóricos obtidos. Parece-nos que estamos no caminho certo, e nosso trabalho ajudará a lidar com os fenômenos observados em cupratos. Depois disso, já será possível pensar em qual direção trabalhar para aumentar a temperatura de transição. Graças à estreita cooperação com pesquisadores de diferentes países, essa tarefa não parece insolúvel. Source: https://habr.com/ru/post/pt384439/
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