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Em 8 de abril de 1911, o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes rabiscou a lápis uma nota quase ininteligível em um caderno de cozinha: “quase nulo”.
A nota referia-se à resistência elétrica que ele mediu durante um experimento histórico que mais tarde seria creditado como a descoberta da supercondutividade. Mas primeiro, ele e a sua equipa precisariam de muitos mais ensaios para confirmar a medição.
A sua descoberta abriu um mundo de potenciais aplicações científicas. O século desde então viu muitos avanços, mas os investigadores da supercondutividade hoje podem tirar lições do trabalho original de Onnes, vencedor do Prémio Nobel.
Sempre me interessei por histórias de origem. Como professor de física e autor de livros sobre a história da física, procuro a interessante história de fundo – as reviravoltas e os acasos que estão por trás das grandes descobertas.
As verdadeiras histórias por detrás destas descobertas são geralmente mais caóticas do que as narrativas ensaiadas e elaboradas após o facto, e algumas das lições aprendidas com as experiências de Onnes permanecem relevantes hoje em dia, à medida que os investigadores procuram novos supercondutores que possam, um dia, operar perto da temperatura ambiente.
Supercondutividade
Um raro efeito quântico que permite que correntes elétricas fluam sem resistência em fios supercondutores, a supercondutividade permite uma infinidade de aplicações científicas. Isso inclui máquinas de ressonância magnética e poderosos aceleradores de partículas.
Imagine dar um único empurrão em uma fileira de contas de vidro amarradas em um fio sem atrito. Depois que as contas começam a se mover pelo fio, elas nunca param, como uma máquina de movimento perpétuo. Essa é a ideia por trás da supercondutividade – partículas fluindo sem resistência.
Para que os supercondutores funcionem, eles precisam ser resfriados a temperaturas ultrabaixas, mais frias do que qualquer explosão no Ártico. Foi assim que o trabalho original de Onnes, resfriando o hélio a uma temperatura próxima do zero absoluto, preparou o terreno para sua descoberta inesperada da supercondutividade.
A descoberta
Onnes, professor de física da Universidade de Leiden, na Holanda, construiu o principal laboratório de física de baixas temperaturas do mundo na primeira década do século XX.
Seu laboratório foi o primeiro a transformar o hélio de gás em líquido, fazendo o gás se expandir e esfriar. Seu laboratório conseguiu resfriar o hélio dessa maneira a uma temperatura de -452 graus Farenheit (-269 graus Celsius).
Onnes começou então a estudar a condutividade elétrica dos metais nessas temperaturas frias. Ele começou com o mercúrio porque o mercúrio na forma líquida pode conduzir eletricidade, facilitando o enchimento em tubos de vidro. Em baixas temperaturas, o mercúrio congelava, criando fios metálicos que Onnes poderia usar em seus experimentos de condutividade.
Em 8 de abril de 1911, seus técnicos de laboratório transferiram hélio líquido para um criostato de medição – um recipiente de vidro com uma camisa de vácuo para isolá-lo do calor da sala. Eles resfriaram o hélio a -454 F (-270 C) e então mediram a resistência elétrica do fio de mercúrio enviando uma pequena corrente através dele e medindo a voltagem.
Foi então que Onnes escreveu a enigmática medição “quase nula” em seu caderno de cozinha, o que significa que o fio conduzia eletricidade sem qualquer resistência mensurável.
A data de 8 de abril é frequentemente citada como a descoberta da supercondutividade, mas a história completa não é tão simples, porque os cientistas não podem aceitar um “quase nulo” rabiscado como prova suficiente de uma nova descoberta.
Em busca de provas
A equipe de Onnes realizou seu próximo experimento mais de seis semanas depois, em 23 de maio. Nesse dia, eles resfriaram o criostato novamente para -454 F (-270 C) e depois deixaram a temperatura subir lentamente.
No início, eles quase não mediram qualquer resistência elétrica, indicando supercondutividade. A resistência permaneceu pequena até -452 F, quando subitamente aumentou mais de um fator de 400 à medida que a temperatura subiu apenas uma fração de grau.
O aumento foi tão rápido e inesperado que eles começaram a procurar algum tipo de falha elétrica ou circuito aberto que pudesse ter sido causado pelas mudanças de temperatura. Mas eles não conseguiram encontrar nada de errado. Eles passaram mais cinco meses melhorando seu sistema antes de tentar novamente. Em 26 de outubro, eles repetiram o experimento, capturando o aumento repentino anterior na resistência.
Heike Kamerlingh Onnes via Wikimedia Commons
Uma semana depois, Onnes apresentou estes resultados na primeira Conferência Solvay, e dois anos depois recebeu o Prémio Nobel da Física, reconhecendo o seu trabalho em baixas temperaturas em geral, mas não especificamente na supercondutividade.
Foram necessários mais três anos de trabalho diligente antes que Onnes tivesse sua evidência irrefutável: ele mediu correntes persistentes que não decaíam, demonstrando resistência e supercondutividade verdadeiramente zero em 24 de abril de 1914.
Novas fronteiras para temperaturas críticas
Nas décadas que se seguiram à descoberta de Onnes, muitos pesquisadores exploraram como os metais agem em temperaturas super-resfriadas e aprenderam mais sobre a supercondutividade.
Mas se os investigadores só conseguem observar a supercondutividade a temperaturas extremamente baixas, é difícil fazer algo útil. É muito caro operar uma máquina na prática se ela funcionar apenas a -400 F (-240 C).
Assim, os cientistas começaram a procurar supercondutores que pudessem funcionar em temperaturas práticas. Por exemplo, K. Alex Müller e J. Georg Bednorz, do laboratório de pesquisa da IBM na Suíça, descobriram que óxidos metálicos como o óxido de lantânio-bário-cobre, conhecido como LBCO, poderiam ser bons candidatos.
A equipe da IBM levou cerca de três anos para encontrar supercondutividade no LBCO. Mas quando o fizeram, o seu trabalho estabeleceu um novo recorde, com a supercondutividade observada a -397 F (-238 C) em 1986.
Um ano depois, em 1987, um laboratório em Houston substituiu o lantânio no LBCO pelo elemento ítrio para criar o YBCO. Eles demonstraram supercondutividade a -292 F. Essa descoberta fez do YBCO o primeiro supercondutor prático, porque poderia funcionar imerso em nitrogênio líquido barato.
Desde então, os pesquisadores observaram supercondutividade em temperaturas tão altas quanto -164 F (-109 C), mas alcançar um supercondutor à temperatura ambiente permaneceu indefinido.
Gingras.ol/Wikimedia Commons, CC BY-NC-SA
Em 2023, dois grupos alegaram ter evidências de supercondutividade à temperatura ambiente, embora ambos os relatórios tenham sido recebidos com forte ceticismo, e ambos estejam agora no limbo após um exame mais minucioso.
A supercondutividade sempre foi difícil de provar porque alguns metais podem se disfarçar de supercondutores. As lições aprendidas por Onnes há um século – que estas descobertas requerem tempo, paciência e, o mais importante, prova de correntes que nunca param – ainda são relevantes hoje.
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