Supercondutividade
Abaixo de uma temperatura crítica, certos materiais conduzem eletricidade com resistência exatamente zero e expelem campos magnéticos, um estado quântico macroscópico explicado pelo emparelhamento de elétrons.
Definition
Supercondutividade é uma fase termodinâmica, atingida abaixo de uma temperatura crítica, na qual os elétrons se ligam em pares de Cooper que se condensam em um único estado quântico coerente, produzindo resistência elétrica exatamente zero e a expulsão de fluxo magnético conhecida como efeito Meissner.
Scope
Esta área abrange a fenomenologia e a teoria microscópica da supercondutividade: resistência zero e o efeito Meissner, as teorias fenomenológicas de London e Ginzburg-Landau, a teoria BCS do emparelhamento de Cooper, o comportamento tipo-I e tipo-II com vórtices de fluxo, o efeito Josephson, e os supercondutores de alta temperatura à base de cuprato e ferro ainda inexplicados. Trata o estado supercondutor como um fenômeno quântico macroscópico e se conecta ao magnetismo, fônons e forte correlação eletrônica.
Sub-topics
Core questions
- Por que um supercondutor expele o campo magnético (o efeito Meissner) em vez de simplesmente ter resistência zero?
- Como o mecanismo BCS permite que elétrons, que se repelem, se liguem em pares de Cooper?
- O que distingue os supercondutores tipo-I dos tipo-II, e como surgem os vórtices de fluxo?
- Por que os supercondutores de alta temperatura à base de cuprato permanecem inexplicados pela teoria BCS convencional?
Key concepts
- Resistência zero e o efeito Meissner
- Pares de Cooper e a lacuna de energia supercondutora
- Teorias de London e Ginzburg-Landau
- Supercondutores tipo-I, tipo-II e vórtices de fluxo
- Efeito Josephson e coerência de fase macroscópica
Key theories
- Teoria BCS
- Bardeen, Cooper e Schrieffer mostraram que uma fraca atração mediada por fônons liga elétrons próximos à superfície de Fermi em pares de Cooper que se condensam em um estado coerente com uma lacuna de energia, explicando a resistência zero, o efeito Meissner e o efeito isotópico.
- Teoria de Ginzburg-Landau
- Uma teoria fenomenológica de parâmetro de ordem descreve a transição supercondutora e as variações espaciais do condensado; sua razão entre a profundidade de penetração e o comprimento de coerência classifica os supercondutores como tipo-I ou tipo-II e prevê a rede de vórtices de Abrikosov.
Clinical relevance
Supercondutores permitem a transmissão de energia sem perdas, os ímãs de alto campo usados em scanners de ressonância magnética e aceleradores de partículas, e magnetômetros SQUID ultrassensíveis e qubits de computação quântica baseados no efeito Josephson; a supercondutividade de alta temperatura permanece um dos principais problemas em aberto na física.
History
Kamerlingh Onnes descobriu a supercondutividade no mercúrio em 1911; o efeito Meissner (1933) e as fenomenologias de London e Ginzburg-Landau precederam a teoria microscópica BCS de 1957, e a descoberta da supercondutividade em cupratos por Bednorz e Müller em 1986 abriu o capítulo ainda em aberto da supercondutividade de alta temperatura.
Debates
- Mecanismo da supercondutividade de alta temperatura
- O mecanismo de emparelhamento em cupratos e outros supercondutores não convencionais não está estabelecido; se é impulsionado por flutuações de spin, outras correlações eletrônicas ou algum processo assistido por fônons permanece uma questão ativa e não resolvida.
Key figures
- John Bardeen
- Heike Kamerlingh Onnes
- Vitaly Ginzburg
Related topics
Seminal works
- bardeen1957
- bednorz1986
- tinkham2004
Frequently asked questions
- Um supercondutor é apenas um condutor perfeito?
- Não. Um condutor perfeito apenas aprisionaria qualquer campo presente; um supercondutor expele ativamente o fluxo magnético (o efeito Meissner), o que o marca como uma fase termodinâmica distinta, e não simplesmente um metal sem resistência.
- Como elétrons que se repelem podem se emparelhar?
- Em supercondutores convencionais, um elétron distorce a rede de íons positivos, e a concentração resultante de carga positiva atrai um segundo elétron; essa atração mediada por fônons pode superar a repulsão de Coulomb blindada e ligar um par de Cooper.