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10/01/2008
Quando a supercondutividade se tornou clara (para alguns)

Kenneth Chang
Em Champaign, Illinois


A supercondutividade, o fluxo de eletricidade sem resistência, antes confundia tanto os físicos quanto as demais pessoas.

Por quase 50 anos, os pesos-pesados da física analisaram o enigma. Então, há 50 anos no mês passado, a resposta apareceu na revista "Physical Review". Seu título era, simplesmente, "Teoria da Supercondutividade".

"É certamente uma das maiores realizações na física da segunda metade do século 20", disse Malcolm R. Beasley, um professor de física aplicada de Stanford.

A supercondutividade foi descoberta em 1911 por um físico holandês, Heike Kamerlingh Onnes. Ele observou que quando mercúrio era resfriado abaixo de -269,15ºC, pouco menos de quatro graus acima do zero absoluto, a resistência elétrica repentinamente desaparecia e o mercúrio se tornava um supercondutor.

Para os físicos, aquilo era surpreendente, quase como se deparar com uma máquina de moto perpétuo real. De fato, uma corrente elétrica correndo por um anel de mercúrio a pouco menos de 4 graus acima do zero absoluto a princípio correria para sempre.

Se o fenômeno desafiava a intuição, ele também desafiava explicação.

Após concluir a relatividade geral e especial, Albert Einstein tentou, e fracassou, em conceber uma teoria da supercondutividade. Werner Heisenberg, o físico que elaborou o princípio de incerteza de Heisenberg, lutou com o problema, assim como outros pioneiros da mecânica quântica como Niels Bohr e Wolfgang Pauli. Felix Bloch, outro teórico frustrado, concluiu brincando: toda teoria da supercondutividade pode ser refutada.

Esta longa lista de fracassos era desconhecida de Leon N. Cooper. Em 1955, ele tinha acabado de receber seu Ph.D. e estava trabalhando em uma área diferente da física teórica no Instituto de Estudos Avançados, em Princeton, quando conheceu John Bardeen, um físico que já tinha conquistado a fama pela invenção do transistor.

Bardeen, que trocou sua pesquisa do transistor nos Laboratórios Bell pela Universidade de Illinois, queria recrutar Cooper para seu mais recente empreendimento de pesquisa: solucionar a supercondutividade.

"Eu conversei com John por algum tempo", lembrou Cooper em uma conferência em outubro, "e ele disse: 'Você sabe, é um problema muito interessante'. Eu disse: 'Eu não sei muito a respeito'. Ele disse: 'Eu lhe ensino'".

"Mas ele deixou de mencionar que praticamente todo físico famoso do século 20 trabalhou no problema e fracassou", disse Cooper.

O próprio Bardeen já tinha realizado duas tentativas fracassadas. Cooper disse que a omissão foi afortunada, porque "eu poderia ter hesitado".

Cooper chegou na Universidade de Illinois em setembro de 1955. Em menos de dois anos, ele, Bardeen e J. Robert Schrieffer, um estudante de pós-graduação, solucionaram o problema insolúvel. A resposta deles atualmente é conhecida como teoria BCS, as iniciais de seus sobrenomes.

Bardeen morreu em 1991, mas Cooper e Schrieffer voltaram para a Universidade de Illinois em outubro para comemorar a publicação de seu estudo da supercondutividade.

O feito hercúleo deles foi homenageado com o Prêmio Nobel de Física de 1972 e influenciou profundamente os teóricos que elaboravam teorias explicando a dinâmica das partículas fundamentais. A teoria também foi aplicada em assuntos tão distantes quanto a dinâmica das estrelas de nêutrons.

Mas a teoria BCS nunca obteve o mesmo reconhecimento na cultura popular que a da relatividade e da mecânica quântica. Isto pode ser compreensível dadas as complexidades da teoria, a aplicação de mecânica quântica para o comportamento coletivo de milhões e milhões de elétrons. "Eram cálculos muito, muito difíceis", lembrou Cooper. "Eram superdifíceis."

Mesmo para os físicos, o trabalho de 1957 era uma leitura difícil.

No primeiro dia da conferência em outubro, Vinay Ambegaokar, de Cornell, exibiu um pequeno caderno de 1958. O caderno, disse Ambegaokar, "mostra que eu a li, mas que não a entendi". Ele disse continuar preferindo abordagens "com menos esforço intelectual constante". (Os físicos soviéticos apresentaram uma chamada teoria fenomenológica -equações que descreviam o comportamento dos supercondutores mas não explicavam o que provocava tal comportamento.)

A resistência elétrica surge porque os elétrons que portam a corrente ricocheteiam nos núcleos dos átomos, como bolas em uma diminuta máquina de pinball. Os núcleos recuam e vibram, drenando energia dos elétrons.

Em um supercondutor, os elétrons parecem mais fantasmas que partículas, passando pelos núcleos como se não estivessem lá.

Pistas sobre a natureza da supercondutividade começaram a se acumular quando Walther Meissner e Robert Ochsenfeld, dois físicos alemães, mediram o campo magnético dentro de um supercondutor e descobriram, para surpresa de todos, que era exatamente, precisamente, zero. Além disso, qualquer campo magnético que estava presente em um material desaparecia quando era resfriado em um supercondutor.

Esse fenômeno, conhecido como Efeito Meissner, foi o primeiro sinal de que os supercondutores eram mais do que os condutores perfeitos previstos nas teorias iniciais.

Na época havia sinais de um grande gap de energia entre a energia mais baixa, o estado de supercondutividade e o próximo possível, um estado de maior energia. Isto mantinha os elétrons presos no estado supercondutor.

Finalmente, experiências mostraram que a temperatura na qual a resistência elétrica desaparecia variava quando versões mais pesadas e mais leves de um átomo eram substituídas; o peso dos átomos exercia um papel insignificante na resistência elétrica de condutores comuns.

Bardeen acreditava que se pudesse entender o gap de energia, ele entenderia a supercondutividade.

Em 1955, David Pines -o antecessor de Schrieffer no grupo de Bardeen- chegou ao primeiro avanço.

Elétrons com carga negativa geralmente repelem um ao outro, mas Pines mostrou que as vibrações na estrutura dos núcleos poderia gerar uma atração minúscula. Quando um elétron passa perto de um núcleo atômico de carga positiva, a carga elétrica oposta atrai ligeiramente o núcleo para o elétron. O elétron se afasta rapidamente, deixando para traz um rastro de carga positiva, e isto, por sua vez, atrai outros elétrons.

O resultado de Pines mostrou o motivo para o peso dos átomos importar -átomos mais pesados aceleram mais lentamente.

Os dois avanços chave seguintes vieram em transporte coletivo.

Em dezembro de 1956, Cooper estava em uma viagem de trem de 17 horas para Nova York. Ele tinha gasto seus primeiros meses aplicando seus truques teóricos nas equações. "Eu trabalhava, trabalhava e trabalhava, mas sem chegar a lugar nenhum", ele disse. "Eu não me sentia mais tão esperto."

No trem, Cooper descartou seus cálculos fracassados. "Eu pensei e pensei, 'eu sei que este é um problema difícil, mas parece tão simples'", ele disse. Os físicos pensam em elétrons em um condutor normal como se empilhados uns sobre os outros em um "mar de Fermi", que leva o nome de Enrico Fermi, que ainda formulava a teoria na Universidade de Chicago.

Cooper percebeu que eram apenas os elétrons próximos do topo do mar de Fermi que eram cruciais. "Você introduz um pequeno efeito e de alguma forma obtém um supercondutor", ele disse.

Enquanto trabalhava no problema nos dois meses seguintes, Cooper percebeu que estes elétrons não apenas atraíam outros como Pines mostrou, mas também se agrupavam em pares. Agora parecia que a supercondutividade dependia desses pares, subsequentemente batizados de pares Cooper.

Contrariando expectativas simples, os dois elétrons não rodavam próximos um do outro, mas eram distantes, com muitos outros elétrons entre eles. A grande quantidade de pares sobrepostos tornou os cálculos uma complicação.

Um ano após a viagem de Cooper, Schrieffer seguiu para Nova York para uma conferência científica. (Ao mesmo tempo, Bardeen seguia para Estocolmo para receber seu primeiro Prêmio Nobel, pelo transistor.) Schrieffer estava analisando abordagens estatísticas para solucionar o emaranhado de pares Cooper. No metrô, ele escreveu a resposta, que revelou ser bem simples em forma.

Os pares Cooper basicamente se aglutinavam em um grande grupo que se movia junto, e o gap de energia impedia a dispersão de qualquer par. Schrieffer fez uma analogia a uma fila de patinadores, de braços dados. "Se um patinador atinge um ressalto", ele disse, o patinador é "apoiado pelos demais patinadores que estão se movendo em conjunto com ele".

De volta a Illinois, ele mostrou o que tinha escrito para Cooper e depois para Bardeen. Bardeen estava convencido.

Charles P. Slichter, um professor de física em Illinois tanto hoje quanto naquela época e que conduziu muitos dos experimentos que geraram pistas para a supercondutividade, lembrou de Bardeen pará-lo no corredor certo dia.

"John não era bom de conversa", disse Slichter. "Eu podia ver que ele tinha algo que queria dizer, e ficamos meio que parados ali. Parece que ficamos parados ali por uns cinco minutos."

Slichter ficou tentado a dizer algo, "mas eu sabia que não devia, porque se o fizesse, ele se fecharia. Então ele finalmente disse: 'Bem, Charlie, eu acho que solucionamos a supercondutividade'".

"E, uau, é o momento mais empolgante na ciência que já experimentei", disse Slichter.

Em fevereiro de 1957, os três apresentaram o trabalho, basicamente delineando suas idéias, para a "Physical Review". O trabalho mais longo, mais completo, só foi impresso em dezembro daquele ano.

Um novo enigma surgiu em 1986, com a descoberta dos chamados supercondutores de alta temperatura. Estes supercondutores trabalham em temperaturas mais altas, apesar de ainda muito baixas.

Não surgiu nenhuma teoria convincente; uma sessão da conferência em Illinois foi um interrogatório em massa de teóricos concorrentes. Os teóricos concordaram que os supercondutores de alta temperatura eram diferentes, que a força de atração não vinha das vibrações dos núcleos. Em vez disso, eles disseram, a atração de alguma forma surgia da inversão dos minúsculos pólos magnéticos dos átomos. Fora isso, nenhum deles concorda.

Outros tipos de supercondutores, e mais teorias, poderão surgir.

Como Beasley, de Stanford, disse no encerramento da conferência: "Nós não temos idéia dos limites da supercondutividade no universo. Se 85% do universo é matéria escura, eu espero que 5% seja supercondutora".

Tradução: George El Khouri Andolfato

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