Nos últimos anos, o desenvolvimento de sistemas supercondutores avançados tem revolucionado uma série de setores tecnológicos, proporcionando avanços que eram impensáveis há poucas décadas. Um dos maiores exemplos dessa revolução é o Grande Colisor de Hádrons (LHC), localizado no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN), em Genebra, que utiliza supercondutores em uma escala monumental. O LHC, o maior acelerador de partículas supercondutor do mundo, está instalado em um túnel circular de 27 km de comprimento e é capaz de acelerar prótons até energias impressionantes de 7000 GeV. O sistema de orientação do feixe utiliza mais de 1600 ímãs supercondutores, construídos com NbTi (niobium-titânio), sendo que a maioria desses ímãs pesa mais de 27 toneladas. Para sua construção, foram necessários mais de 7000 km de fio de NbTi, e a precisão no ajuste de todos os ímãs é crucial para manter feixes de prótons com altíssima precisão. Para manter esse sistema em operação, 31.000 toneladas de material devem ser resfriadas até 1.9 K, utilizando 12 milhões de litros de nitrogênio líquido e 700.000 litros de hélio líquido.

Outro exemplo notável de aplicação de bobinas supercondutoras é o trem maglev, ou trem de levitação magnética, um projeto que teve avanços significativos, especialmente no Japão. Durante testes realizados em 2015, esse trem conseguiu atingir velocidades superiores a 600 km/h. As bobinas supercondutoras que geram campos magnéticos de cerca de 5 T são montadas dentro do trem, e correntes parasitas induzidas na trilha de condução geram um campo magnético que repele o campo das bobinas, resultando na força de levitação. No entanto, para que essa repulsão se torne forte o suficiente, o trem precisa atingir uma velocidade mínima, momento em que as rodas são recolhidas. Isso permite que o trem flutue sem fricção, atingindo velocidades altíssimas.

As bobinas supercondutoras também encontraram seu maior mercado na tomografia por ressonância magnética nuclear, que, desde os anos 1980, se tornou uma tecnologia médica indispensável. O uso de supercondutores nesse campo tornou-se fundamental devido à sua capacidade de permitir que correntes elétricas fluam sem resistência, o que é ideal para gerar os intensos campos magnéticos necessários para as imagens de ressonância. A indústria de equipamentos de tomografia por ressonância magnética já movimenta bilhões de euros anualmente.

Ademais, a armazenagem de energia elétrica em supercondutores tem se mostrado uma área promissora. Supercondutores permitem que correntes elétricas sejam armazenadas por longos períodos sem perdas, oferecendo uma solução para interrupções curtas no fornecimento de eletricidade. Isso tem levado ao desenvolvimento de sistemas de armazenamento de energia com base em supercondutores de alta temperatura, o que pode se tornar uma solução revolucionária para a gestão de energia elétrica em áreas de alta densidade populacional ou onde as linhas de transmissão aéreas não são viáveis.

Porém, o maior e mais complexo desafio tecnológico dos supercondutores está em seu uso em reatores de fusão nuclear, uma fonte potencial de energia limpa e praticamente ilimitada. Para confinamento do plasma de alta temperatura necessário para a fusão nuclear, grandes sistemas de ímãs supercondutores são imprescindíveis. A pesquisa em supercondutores para fusão nuclear está em constante avanço, com novos materiais sendo testados e otimizados para resistir a condições extremas.

Além disso, um dos maiores marcos na história dos supercondutores foi a descoberta de supercondutividade em materiais com temperaturas mais altas, como os cupratos. Em 1986, os cientistas Johannes Bednorz e Karl Müller anunciaram a descoberta de supercondutividade em materiais à base de cobre-óxido, com uma temperatura crítica superior a 35 K, o que gerou uma revolução na pesquisa de supercondutores. Esse avanço abriu caminho para o desenvolvimento de materiais supercondutores com temperaturas críticas ainda mais altas, ampliando as possibilidades de aplicação em diversas áreas, como a geração de energia e a computação quântica.

Porém, a utilização de supercondutores não se limita apenas à indústria e à pesquisa. Eles também têm grande potencial em áreas como a computação quântica, onde o controle preciso da corrente elétrica sem perdas de energia é um requisito fundamental. A utilização de supercondutores para criar qubits mais estáveis pode ser a chave para o desenvolvimento de computadores quânticos mais rápidos e eficientes.

No entanto, embora o potencial seja enorme, a aplicação de supercondutores ainda enfrenta desafios significativos, especialmente no que diz respeito ao custo e à necessidade de resfriamento a temperaturas extremamente baixas. O desenvolvimento de novos materiais supercondutores, especialmente aqueles com temperaturas críticas mais altas, é crucial para expandir a adoção dessa tecnologia.

Além disso, a transição para o uso de supercondutores em larga escala exige uma infraestrutura completamente nova, tanto no que diz respeito à produção de materiais como à criação de sistemas de resfriamento adequados. A indústria precisa continuar avançando na pesquisa de novos métodos de resfriamento e maneiras mais eficientes de lidar com as limitações atuais de custos e complexidade técnica.

Esses fatores ressaltam a importância de se compreender que os supercondutores, embora revolucionários, ainda exigem um esforço considerável para que se tornem uma parte fundamental da infraestrutura global. O caminho para uma adoção mais ampla dessa tecnologia está atrelado a grandes inovações científicas e soluções tecnológicas que, embora já em andamento, ainda necessitam de mais refinamento.

Como a Estrutura Granular e as Fronteiras de Grãos Afetam a Supercondutividade de Altas Temperaturas

De acordo com a teoria de Abrikosov, as linhas de fluxo magnético são separadas em pequenos discos, localizados nos planos CuO2, que são empilhados exatamente uns sobre os outros. Esses discos, frequentemente chamados de "panquecas", fazem com que a rede de linhas de fluxo magnético apresente novas propriedades que não estão presentes na rede original de Abrikosov. Essa separação das linhas de fluxo magnético em discos menores permite que os discos individuais saiam da configuração empilhada, tornando possível o processo de fusão e evaporação dessa estrutura perfeitamente empilhada. As novas propriedades dessa rede de linhas de fluxo magnético, decorrentes da separação em vórtices individuais, geraram a expressão "matéria vórtice" na literatura, para resumir esse comportamento inovador.

Uma consequência interessante dessa separação é que, devido à liberdade de movimento dos discos pequenos, a resistência ao fluxo elétrico é maior em supercondutores de altas temperaturas do que em supercondutores tradicionais. A liberdade de movimento dos discos é muito mais forte do que a das linhas de fluxo magnético mais rígidas e completas. Para evitar esse movimento indesejado, é crucial introduzir centros de pinagem no supercondutor. Vale lembrar que o raio do núcleo normal no centro de cada linha de fluxo magnético é dado pela extensão de coerência ξ, que é muito menor nos cupratos do que nos supercondutores clássicos. Por isso, os centros de pinagem podem ser efetivos mesmo em escalas atômicas, como átomos de oxigênio ausentes nos planos CuO2 ou nas fronteiras de grãos.

Além da resistência ao fluxo de corrente elétrica, os efeitos de Nernst e Ettingshausen foram estudados em detalhes nos cupratos. Recentemente, foi descoberto que a entropia de transporte dos vórtices de panqueca está próxima ao valor da constante de Boltzmann kB. Esse resultado pode sugerir que os vórtices de panqueca se comportam como partículas elementares físicas. Um fenômeno semelhante foi observado também no efeito Nernst vórtice em heteroestruturas supercondutoras bidimensionais.

Um problema grave logo apareceu após a descoberta dos supercondutores de alta temperatura: os materiais eram inicialmente preparados com uma estrutura granular, em que os grãos individuais eram separados por uma rede densa de fronteiras de grãos. Dentro dessas fronteiras, a supercondutividade é geralmente enfraquecida ou até interrompida, resultando em uma resistividade elétrica finita durante o fluxo de corrente, o que impede a manifestação da supercondutividade pura. Um experimento precoce demonstrando essa estrutura granular no supercondutor cuprato Y1Ba2Cu3O7 está bem documentado.

Esse problema impôs dois objetivos óbvios para pesquisas adicionais. Primeiro, métodos tinham que ser encontrados para reduzir fortemente o número de fronteiras de grãos no material. Segundo, as propriedades físicas das próprias fronteiras de grãos precisavam ser investigadas com mais precisão. Com relação ao primeiro objetivo, grandes progressos foram feitos rapidamente, principalmente com a tecnologia de filmes finos, que permitiu a preparação de camadas finas e monocristalinas dos supercondutores de alta temperatura depositadas em substratos adequados. Essas "camadas epitáxicas" praticamente não contêm fronteiras de grãos e permanecem supercondutoras até densidades de corrente elétrica críticas superiores a um milhão de A/cm² à temperatura de 77 K, o ponto de ebulição do nitrogênio líquido.

A perseguição ao segundo objetivo, que era a investigação detalhada das propriedades físicas das fronteiras de grãos, resultou em um desenvolvimento inesperado, mas extremamente interessante. Cientistas do Thomas J. Watson Research Center da IBM, em Yorktown Heights, dominaram esse campo de pesquisa. Em seus experimentos, Chang C. Tsuei selecionou uma camada fina do supercondutor Y1Ba2Cu3O7 com áreas monocristalinas relativamente grandes, separadas por fronteiras de grãos longas. Para estudar o comportamento físico de uma única fronteira de grãos, foi fabricada uma ponte condutora da camada de YBCO, de modo que ela cruzasse quase perpendicularmente à fronteira de grãos. Essa abordagem permitiu realizar medições elétricas precisas em uma única fronteira de grãos.

Além disso, uma técnica inovadora foi proposta por Praveen Chaudhari para gerar as fronteiras de grãos de forma controlada, utilizando um substrato especialmente preparado para a deposição da camada de supercondutor cuprato. Esse substrato, chamado bicristal, consiste em duas partes monocristalinas com orientações cristalinas diferentes, separadas por uma fronteira de grãos atômica. A técnica bicristal se mostrou altamente eficaz e permitiu muitos experimentos com fronteiras de grãos bem definidas em camadas finas de supercondutores. Um dos resultados mais significativos dessa abordagem foi a observação do efeito Josephson em uma única fronteira de grãos, o que levou à fabricação de junções Josephson em camadas finas de supercondutores de alta temperatura e ao desenvolvimento de SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices).

Além disso, o comportamento da função de onda dx2−y2, que muda de sinal em diferentes ângulos polares, teve implicações importantes quando dois cristais com orientações diferentes foram conectados por uma fronteira de grãos bem definida. Quando um lóbulo positivo da função de onda se encontra com um lóbulo negativo do outro lado da junção, forma-se uma junção π. Nesse caso, ocorre uma violação da unicidade da função de onda, resultando na geração espontânea de um quantum magnético de fluxos com meio número, o que pode levar à frustração no sistema.

O estudo dessas fronteiras de grãos e suas implicações para a física dos vórtices e da supercondutividade de alta temperatura é crucial para o avanço das tecnologias supercondutoras e para a compreensão mais profunda dos fenômenos que governam os materiais cupratos.

Como as Nanostruturas e a Miniaturização Estão Transformando a Eletrônica: Do Spintrônico às Superlattice

Nos últimos anos, as tecnologias de miniaturização e os avanços nas nanostruturas se tornaram fundamentais para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos mais rápidos, eficientes e com maior capacidade de armazenamento. O campo da eletrônica, focado no desenvolvimento técnico, ainda está longe de atingir seu limite, especialmente com o advento da spintrônica e das nanostruturas, que têm impulsionado as pesquisas sobre novos materiais e dispositivos.

Uma das grandes inovações da eletrônica moderna são os sistemas de memória baseados em dispositivos magnéticos. O aumento impressionante da densidade de armazenamento em discos rígidos ao longo das últimas décadas é um exemplo claro dessa evolução. De 1956 a 2000, a densidade de armazenamento cresceu cerca de dez milhões de vezes, alcançando cerca de 2,6 GB por cm² no ano de 2000, e em 2011, chegou a 65 GB por cm². Esse aumento tem sido possível devido a inovações na manipulação e controle das propriedades magnéticas dos materiais, o que tem levado ao desenvolvimento de novos dispositivos de armazenamento com características cada vez mais compactas e eficientes.

Além disso, a spintrônica se destaca por seu potencial revolucionário. O fato de o processo de rotação do spin do elétron consumir pouquíssima energia e ocorrer de maneira extremamente rápida oferece vantagens consideráveis para dispositivos que exigem alta performance e baixo consumo de energia. Esses avanços no controle do spin dos elétrons podem levar à criação de novos tipos de transistores, como os transistores de efeito de campo polarizado por spin, que são extremamente eficientes em termos energéticos e rápidos na transmissão de dados.

Dentro desse contexto de miniaturização, as técnicas de fabricação de microestruturas têm progredido de forma acelerada. O desenvolvimento de camadas finas e pacotes de materiais multicamadas, com a precisão atômica necessária para controlar as propriedades dos materiais, tem sido um grande facilitador para a criação de dispositivos menores e mais eficientes. A litografia avançada, que inclui o uso de luz ultravioleta e raios-X, tem permitido a produção de dispositivos em escalas nanométricas com resolução espacial muito maior. Métodos como a manipulação de feixes de elétrons e íons de alta energia têm sido explorados para alcançar tamanhos ainda menores e mais precisos.

Esses avanços técnicos têm sido acompanhados pelo desenvolvimento de novas metodologias de controle e análise das camadas e estruturas criadas. Hoje, é possível realizar medições elétricas e mecânicas até em átomos e moléculas individuais, utilizando microscopia eletrônica de transmissão e microscopia de sonda de varredura com resolução espacial de nível atômico. Essas técnicas permitem a análise de superfícies e a composição dos materiais com uma precisão nunca antes alcançada, possibilitando um maior controle sobre as propriedades dos dispositivos criados.

Com o aumento da miniaturização, emergem efeitos quânticos que só se tornam visíveis em escalas extremamente pequenas, onde os elétrons se comportam como ondas de matéria, conforme a mecânica quântica. Um dos exemplos mais fascinantes desses efeitos é o fenômeno das superlattices, que são estruturas multicamadas compostas por materiais diferentes dispostos de maneira periódica. Essas superlattices podem ser fabricadas usando tecnologia de filmes finos, onde a precisão atômica é crucial para garantir a periodicidade e a integridade das camadas. O conceito de superlattice foi inicialmente desenvolvido por Leo Esaki e Ray Tsu na década de 1970, e tem sido fundamental para a criação de novos materiais e dispositivos semicondutores com características únicas, como a condução de elétrons por tunelamento quântico.

Além das superlattices, outro componente fundamental da pesquisa em nanostruturas são os pontos quânticos. Essas estruturas têm se mostrado promissoras na área de optoeletrônica, devido às suas propriedades eletrônicas e ópticas únicas, que surgem quando a matéria é confinada em uma região extremamente pequena. A interação de elétrons e fotorrelacionamentos nesses pontos quânticos pode ser aproveitada para criar novos tipos de sensores, emissores e transistores, com aplicações em tudo, desde displays de alta definição até computação quântica.

As nanotubos de carbono, derivados dos fullerenos, são outra área de grande interesse. Esses tubos cilíndricos compostos de átomos de carbono em uma estrutura hexagonal têm propriedades eletrônicas excepcionais. Sua condutividade elétrica e resistência mecânica superam muitas substâncias tradicionais, o que os torna candidatos ideais para a criação de componentes eletrônicos de próxima geração, desde transistores até sensores e dispositivos de armazenamento de energia.

No entanto, apesar de todos os avanços, é importante reconhecer que ainda há um enorme espaço para evolução nas tecnologias quânticas e de miniaturização. A visão de Richard P. Feynman, apresentada em sua famosa palestra de 1959 "There is Plenty of Room at the Bottom", já indicava que a miniaturização permitiria explorar um espaço de possibilidades muito maior do que o disponível nos níveis macroscópicos. Essa visão continua a se concretizar com cada novo avanço na fabricação de dispositivos de tamanho nanométrico, abrindo portas para inovações que, até pouco tempo atrás, pareciam impensáveis.

Por fim, a fronteira entre a física quântica e a eletrônica está se tornando cada vez mais estreita. Novos materiais, técnicas de fabricação e controle de estruturas em escalas atômicas estão permitindo que a eletrônica evolua de maneira espetacular. O que parecia ser um campo dominado pela física clássica está agora se transformando em uma área de intensa exploração de efeitos quânticos, onde as leis da física moderna são fundamentais para a compreensão e criação de dispositivos mais poderosos e eficientes.

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