Como Funciona o SQUID e Suas Aplicações em Tecnologias Avançadas

O SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) é um dispositivo altamente sensível que utiliza os princípios da quantização do fluxo magnético e do efeito Josephson para medir campos magnéticos com precisão extraordinária. Seu funcionamento baseia-se na criação de correntes de blindagem supercondutoras em um circuito fechado, onde dois contatos Josephson são posicionados dentro de um loop supercondutor. Quando um fluxo magnético externo penetra o loop, o fluxo magnético dentro dele só pode existir em múltiplos inteiros de um quantum de fluxo magnético. Essa condição é satisfeita pela indução de uma corrente de blindagem supercondutora, que circula no loop de forma a compensar o fluxo magnético externo, criando uma modulação periódica da corrente de blindagem. Esse fenômeno resulta em uma modulação periódica da tensão elétrica medida ao longo do dispositivo, que é diretamente dependente do campo magnético externo aplicado.

Outro avanço relevante é o uso de SQUIDs miniaturizados em microscópios de varredura. Esses microscópios têm uma sensibilidade magnética extremamente alta, alcançando uma resolução espacial que permite a visualização de quanta magnética de apenas alguns micrômetros, possibilitando a detecção de fluxos magnéticos individuais em supercondutores. A miniaturização desses dispositivos tem sido impulsionada pela fabricação de SQUIDs ultra-pequenos em pontas de nanoescala, como os "nano-SQUIDs-on-tip", que podem resolver o sinal de um único spin eletrônico com uma resolução espacial de apenas 20 nm.

O SQUID também desempenha um papel fundamental no desenvolvimento de padrões de unidades elétricas baseados no efeito Josephson. A relação entre tensão e frequência estabelecida pela equação de Josephson permitiu que, desde 1990, a definição legal da unidade de tensão elétrica fosse baseada nesse efeito. Assim, um volt foi definido como a frequência de 483.597,9 GHz, solidificando a conexão entre corrente elétrica, tensão e resistência no chamado "triângulo quântico", um marco na definição de unidades elétricas.

No campo da eletrônica de potência, o uso de materiais supercondutores com altos valores de corrente crítica e campo magnético crítico tem permitido avanços significativos em tecnologias de alta corrente. A partir da década de 1960, com o desenvolvimento de novos materiais supercondutores, como NbTi e Nb3Sn, tornou-se possível a construção de fios e cabos supercondutores de alta performance, adequados para a fabricação de ímãs supercondutores utilizados em aceleradores de partículas e outros equipamentos de pesquisa científica. Esses fios supercondutores, muitas vezes produzidos por processos de estiramento e tratamento térmico, oferecem resistência mínima à corrente elétrica e alta eficiência em sistemas magnéticos.

Além disso, os supercondutores são amplamente utilizados na construção de ímãs para pesquisa científica, onde seu uso em grandes dispositivos como aceleradores de partículas tem sido essencial para o avanço do entendimento em física de partículas. No entanto, ainda existem desafios técnicos, como a resistência dos materiais supercondutores ao sobreaquecimento, que devem ser enfrentados para possibilitar uma adoção mais ampla em sistemas de maior escala, como na rede elétrica ou em máquinas industriais.

O Efeito Spin-Quantizado de Hall: Avanços e Implicações

O fenômeno do efeito spin-quantizado de Hall, diferente do efeito Hall quântico convencional, se apresenta como uma das descobertas mais intrigantes da física moderna da matéria condensada. Esse efeito ocorre em materiais insuladores que exibem um comportamento peculiar: enquanto seu interior não conduz eletricidade, suas superfícies ou bordas podem transportar cargas elétricas. Este fenômeno foi inicialmente teorizado como uma extensão do efeito Hall quântico, mas com a diferença crucial de que ele envolve os estados de spin dos elétrons, e não sua carga elétrica.

A busca por materiais adequados a esse efeito levou à descoberta do composto mercúrio-telúrio (HgTe), um semicondutor do tipo II-VI, como um exemplo promissor de isolante com propriedades favoráveis. Nesse material, o acoplamento spin-órbita rompe a simetria entre as duas orientações de spin dos elétrons, algo que se torna particularmente pronunciado em elementos pesados. Nesse contexto, o acoplamento spin-órbita age de maneira análoga a um campo magnético externo, criando condições para a formação do efeito spin-quantizado de Hall.

A realização experimental desse efeito ocorre em baixas temperaturas (geralmente abaixo de 10 K) e em camadas finas, chamadas poços quânticos, onde a mobilidade dos portadores de carga é suficientemente alta para que os efeitos sejam observados. Em 2012, Charles L. Kane, Shoucheng Zhang e Laurens W. Molenkamp foram laureados com o maior prêmio nos Estados Unidos pela descoberta e observação experimental do efeito spin-quantizado de Hall, abrindo um novo campo para o estudo dos isolantes topológicos.

Os isolantes topológicos são materiais com a característica única de serem isolantes em seu interior, mas condutores em suas superfícies ou bordas, onde os estados de transporte são topologicamente protegidos. Em outras palavras, esses materiais exibem uma robustez notável contra perturbações externas, como impurezas, que normalmente afetariam a condução elétrica. Um exemplo clássico de isolante topológico bidimensional são os compostos baseados em telureto de bismuto (Bi1−xSbx), nos quais o acoplamento spin-órbita é excepcionalmente forte, permitindo que os estados de superfície permaneçam estáveis mesmo na presença de defeitos.

A partir de 2007, Kane e Liang Fu previram a possibilidade de isolantes topológicos tridimensionais, nos quais os estados de superfície condutores aparecem em diferentes faces do cristal, e não apenas nas bordas. Isso foi confirmado experimentalmente em compostos como Bi1−xSbx, cujos estados de superfície se comportam de maneira semelhante aos estados bidimensionais em materiais como o grafeno. No entanto, uma característica importante de materiais como Bi1−xSbx é a robustez desses estados de superfície, que são protegidos topologicamente contra distúrbios.

O conceito de proteção topológica também é central em muitos outros materiais, como o antimonio, seleneto de bismuto, telureto de bismuto e telureto de antimonio, que exibem estados de superfície topologicamente protegidos. Esse avanço se baseia no entendimento das propriedades geométricas da estrutura eletrônica nos espaços de momento, que são descritas pela teoria de bandas topológicas. Nessa teoria, os estados de superfície são classificados por índices topológicos, como a fase de Berry e o número de Chern, que fornecem uma compreensão mais profunda das propriedades físicas dos materiais.

É importante destacar que a topologia, um ramo da matemática que lida com as deformações geométricas e os aspectos fundamentais de objetos, tem se mostrado fundamental para entender as características desses materiais. Um exemplo clássico de topologia é a transformação de uma xícara com alça em um toro sem cortar ou rasgar, algo que ilustra como certos atributos dos objetos permanecem invariantes mesmo sob distorções contínuas. Essa ideia de invariância é aplicada diretamente à estrutura eletrônica dos isolantes topológicos, onde a "topologia" dos estados de superfície garante a proteção contra perturbações externas.

Com o tempo, o campo dos isolantes topológicos evoluiu rapidamente, especialmente desde a década de 1980, quando se começaram a observar as implicações dessas simetrias topológicas na estrutura de bandas eletrônicas. O uso de técnicas avançadas como a espectroscopia fotoeletrônica resolvida por ângulo (ARPES) e cálculos de estrutura de bandas por teoria do funcional de densidade tem permitido o estudo detalhado desses materiais.

Em relação à teoria das bandas, é relevante mencionar o trabalho de Conyers Herring, que, em 1937, discutiu a possibilidade de estados de energia coincidirem acidentalmente entre a banda de valência e a banda de condução, criando pontos de contato no espaço de momento. A pesquisa recente, especialmente desde 2015, tem se concentrado em casos especiais de bandas de condução e valência linearmente dependentes do vetor de onda, fenômenos que atraem crescente interesse devido às propriedades físicas únicas associadas a esses pontos.

Em 1929, o matemático Hermann Weyl já havia previsto a existência de partículas de Fermi sem massa, soluções da equação de Dirac, uma previsão que levou à descoberta dos semimetais de Weyl. Estes materiais possuem estados estáveis e únicos nos pontos de Weyl no espaço de momento. Em contraste, semimetais de Dirac possuem estados degenerados em dois pontos, sendo mais instáveis. A busca por materiais que possuam essas peculiaridades nas suas propriedades eletrônicas tem sido intensa e já se obtiveram alguns sucessos experimentais.

Para além das descobertas descritas, é essencial compreender a importância da estabilidade topológica desses estados em diferentes contextos de aplicação. Por exemplo, no campo da spintrônica, esses materiais abrem portas para dispositivos eletrônicos extremamente eficientes, capazes de manipular o spin dos elétrons de maneira controlada, o que pode revolucionar a computação e o armazenamento de dados. Além disso, a robustez topológica dos estados de superfície promete novas oportunidades para o desenvolvimento de tecnologias baseadas em fenômenos quânticos, como a computação quântica e os sensores de alta precisão.