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Pergunte a Ethan: Como a física quântica torna a levitação possível?

Quando resfriados a temperaturas suficientemente baixas, certos materiais serão supercondutores: a resistência elétrica dentro deles cairá para zero. Quando expostos a um forte campo magnético, alguns supercondutores exibirão efeitos de levitação. Aqui está a história de como isso funciona. (PETER NUSSBAUMER / WIKIMEDIA COMMONS)

Com o material certo na temperatura certa e uma trilha magnética, a física permite que você nunca perca energia.

A ideia de levitar do chão tem sido um marco dos sonhos de ficção científica e da imaginação humana desde tempos imemoriais. Embora ainda não tenhamos nossos hoverboards, temos o fenômeno muito real da levitação quântica, que é quase tão bom. Sob as circunstâncias certas, um material feito especialmente pode ser resfriado a baixas temperaturas e colocado sobre um ímã devidamente configurado, e levitará lá indefinidamente. Se você fizer uma trilha magnética, ela pairará acima ou abaixo dela e permanecerá em movimento perpétuo. Mas como isso funciona? Apoiador do Patreon Matt Roomel quer saber:

Sou fascinado pela supercondutividade e seu efeito Meissner associado que ela cria. Pelo que entendi, o efeito Meissner (quando o campo magnético é expelido e ocorre a levitação) é criado quando a resistência elétrica é zero. ... A resistência elétrica zero é um fluxo livre de elétrons? ... O que realmente causa a expulsão do campo magnético que cria a levitação?

É o fenômeno mais estranho que você pode ver. Dê uma olhada na demonstração você mesmo.

Este vídeo pode já ter 7 anos, mas várias coisas são claramente aparentes:

• o material especial que levita é extremamente frio,
• ele pode levitar acima ou abaixo de um ímã: ele fica preso em um determinado local,
• e se você colocá-lo em uma pista magnética, ele não perde velocidade com o tempo.

Isso é realmente contra-intuitivo, e não é a maneira como a física clássica convencional funciona. Os ímãs permanentes aos quais você está acostumado – que os físicos chamam de ferromagnetos – nunca poderiam levitar assim. Vamos dar uma olhada em como eles funcionam e, em seguida, ver como esse fenômeno de levitação é diferente.

Linhas de campo magnético, como ilustrado por um ímã de barra: um dipolo magnético. Esses ímãs permanentes permanecem magnetizados mesmo após a retirada de quaisquer campos magnéticos externos. (NEWTON HENRY BLACK, HARVEY N. DAVIS (1913) FÍSICA PRÁTICA)

Todo material que conhecemos é composto de átomos, que podem ou não estar ligados em moléculas como parte da estrutura interna do material. Quando você aplica um campo magnético externo a esse material, esses átomos ou moléculas também são magnetizados internamente e se alinham na mesma direção do campo magnético externo.

A propriedade especial de um ferroímã é que quando você retira o campo magnético externo, a magnetização interna permanece. É isso que o torna um ímã permanente.

Embora este seja o tipo de ímã com o qual estamos mais familiarizados, quase todos os materiais não são ferromagnéticos. A maioria dos materiais, uma vez que você retira o campo externo, volta a ser desmagnetizado.

Na ausência de um campo magnético, os materiais diamagnéticos e paramagnéticos permanecem não magnetizados em média, enquanto os ferromagnetos terão uma magnetização líquida. Na presença de um campo externo, o diamagnetismo se oporá à direção do campo, paramagnets e ferromagnets se alinharão com a direção do campo. Todos os materiais exibem algum diamagnetismo, mas efeitos paramagnéticos ou ferromagnéticos podem inundá-los facilmente. (LEONADRO RICOTTI / V. IACOVACCI ET AL., 2016, EM LAB-ON-A-CHIP FABRICATION E APLICAÇÃO)

Então, o que acontece dentro desses materiais não ferromagnéticos quando você aplica um campo magnético externo? Eles são:

• diamagnéticos, onde magnetizam antiparalelamente ao campo externo,
• ou paramagnéticos, onde magnetizam paralelamente ao campo externo.

Como se vê, todos os materiais exibem diamagnetismo, mas alguns materiais também são paramagnéticos ou ferromagnéticos. O diamagnetismo é sempre fraco e, portanto, se o seu material também for paramagnético ou ferromagnético, esse efeito pode facilmente superar o efeito do diamagnetismo.

Então, quando você liga ou desliga um campo externo – que é a mesma coisa, fisicamente, como mover um material para perto ou para longe de um ímã permanente – você altera a magnetização dentro do material. E há uma lei física para o que acontece quando você altera o campo magnético dentro de um material condutor: Lei de indução de Faraday .

Um dos experimentos de Faraday de 1831 demonstrando indução. A bateria líquida (direita) envia uma corrente elétrica através da pequena bobina (A). Quando ele é movido para dentro ou para fora da bobina grande (B), seu campo magnético induz uma tensão momentânea na bobina, que é detectada pelo galvanômetro. Ao alterar o campo magnético dentro de um condutor, você induz uma corrente elétrica. (J. LAMBERT)

Esta lei lhe diz que mudar o campo dentro de um material condutor faz com que ele gere uma corrente elétrica interna. Essas pequenas correntes que você gera são conhecidas como correntes parasitas e se opõem à mudança interna no campo magnético. Em temperaturas normais, essas correntes são extremamente temporárias, pois encontram resistência e decaem.

Mas esses materiais levitantes de que estamos falando? Eles são feitos de materiais específicos que superconduzem – ou têm sua resistência caindo para zero – em temperaturas muito baixas. Em princípio, qualquer material condutor pode ser supercondutor a temperaturas suficientemente baixas, mas o que torna esses supercondutores particulares interessantes é que eles podem fazê-lo a 77 K: a temperatura do nitrogênio líquido! Essas temperaturas críticas relativamente altas facilitam a criação de um supercondutor de baixo custo.

Dentro de um material sujeito a um campo magnético externo variável, pequenas correntes elétricas conhecidas como correntes parasitas se desenvolverão. Normalmente, essas correntes parasitas decaem rapidamente. Mas se o material for supercondutor, não há resistência e eles persistirão indefinidamente. (TECNOLOGIAS CEDRAT)

É isso que acontece. Mas há uma razão para isso acontecer. Quando você baixa a temperatura abaixo da temperatura crítica de um material para transformá-lo em um supercondutor, ele expele todos os campos magnéticos internos. Isto é o que efeito Meissner na verdade é: a expulsão de campos magnéticos interiores. Basicamente, transforma um supercondutor em um diamagneto perfeito. Materiais como alumínio, chumbo ou mercúrio se comportam exatamente dessa maneira quando você os resfria abaixo de suas temperaturas críticas.

Em temperaturas maiores que a temperatura crítica de um supercondutor, o fluxo magnético pode passar livremente pelos átomos do condutor. Mas abaixo da temperatura supercondutora crítica, todo o fluxo é expelido. Esta é a essência do efeito Meissner. (PIOTR JAWORSKI / WIKIMEDIA COMMONS)

Agora, vamos dar um passo adiante. Em vez de um diamagneto uniforme e perfeito, vamos imaginar que temos um com impurezas dentro dele. Se você resfriar seu material abaixo da temperatura crítica e alterar o campo magnético dentro dele, esses campos magnéticos internos ainda serão expelidos, mas com uma exceção. Onde quer que você tenha uma impureza, o campo permanece. E por não poder entrar na região expelida, os campos alinhados ficam preso dentro das impurezas.

Em um supercondutor Tipo II, as impurezas se desenvolverão acima de uma certa intensidade de campo magnético. As linhas do campo magnético externo ficam presas dentro dessas impurezas enquanto permanecem expelidas para fora das impurezas, criando um dispositivo capaz de ser levitado. (DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA FÍSICA, GITAM UNIVERSITY)

As impurezas são a chave para fazer acontecer esse fenômeno de levitação quântica magnética. O campo magnético é expelido das regiões puras, que são supercondutoras. Mas as linhas de campo penetram nas impurezas, o que altera o campo interno e cria essas correntes parasitas.

E é aqui que está a chave: essas correntes parasitas são cargas elétricas em movimento, que não encontram resistência porque o material é supercondutor!

Então, em vez de as correntes decaírem, elas são sustentadas indefinidamente, enquanto o material permanecer supercondutor e em temperaturas abaixo da crítica.

Esta é uma imagem, tirada com microscopia SQUID de varredura, de um filme muito fino (200 nanômetros) de ítrio-bário-cobre-óxido submetido a temperaturas de hélio líquido (4 K) e um campo magnético significativo. As manchas pretas são vórtices criados pelas correntes parasitas ao redor das impurezas, enquanto as regiões azul/branco são onde todo o fluxo magnético foi expelido. (F. S. WELLS ET AL., 2015, RELATÓRIOS CIENTÍFICOS VOLUME 5, NÚMERO DO ARTIGO: 8677)

No geral, temos duas coisas separadas acontecendo nas duas regiões diferentes:

1. Nas regiões puras e supercondutoras, os campos são expelidos, dando-lhe um diamagneto perfeito.
2. Nas regiões impuras, as linhas do campo magnético ficam concentradas e presas, passando por elas e causando correntes parasitas sustentadas.

São as correntes geradas por essas regiões impuras que fixam o supercondutor no lugar e criam o efeito de levitação! Campos magnéticos externos suficientemente fortes podem destruir os efeitos, mas existem dois tipos de supercondutores. Dentro Supercondutores tipo I , aumentar a intensidade do campo destrói a supercondutividade em todos os lugares. Mas em Supercondutores tipo II , a supercondutividade só é destruída na região impura. Como ainda existem regiões onde o campo é expelido, os supercondutores do Tipo II podem experimentar esse fenômeno de levitação.

Uma vista superior e uma vista lateral de um supercondutor Tipo II exposto a um forte campo magnético. Observe como a vista lateral demonstra onde surgem as impurezas e o fluxo é fixado, enquanto a vista superior mostra as correntes parasitas geradas que não decaem devido à supercondutividade. (PHILIP HOFMANN)

Enquanto você tiver esse campo magnético externo, que é convencionalmente fornecido por uma série de ímãs permanentes bem colocados, seu supercondutor continuará a levitar. Na prática, a única coisa que acaba com o efeito da levitação quântica magnética é quando a temperatura do seu material volta a subir acima dessa temperatura crítica.

Isso nos dá um incrível Santo Graal: se pudermos criar um material que superconduz à temperatura ambiente, ele permanecerá nesse estado de levitação indefinidamente. Se projetássemos e construíssemos uma trilha magnética para ele, fizéssemos esse supercondutor carregado de impurezas, o trouxessemos à temperatura ambiente e o pusesse em movimento, ele permaneceria em movimento sem limites. Se fizéssemos isso em uma câmara de vácuo, removendo toda a resistência do ar, criaríamos literalmente uma máquina de movimento perpétuo.

Ao criar uma trilha onde os trilhos magnéticos externos apontam em uma direção e os trilhos magnéticos internos apontam na outra, um objeto supercondutor Tipo II levitará, permanecerá preso acima ou abaixo da trilha e se moverá ao longo dela. Isso poderia, em princípio, ser ampliado para permitir movimento livre de resistência em grandes escalas se supercondutores à temperatura ambiente forem alcançados. (HENRY MÜHLPFORDT / SEU DRESDEN)

O que tudo isso significa? Essa levitação é realmente real e foi alcançada aqui na Terra. Nunca poderíamos fazer isso sem os efeitos quânticos que permitem a supercondutividade, mas com eles, é apenas uma questão de projetar a configuração experimental correta.

Também nos dá um tremendo sonho de ficção científica para o futuro. Imagine estradas feitas com essas trilhas magnéticas devidamente configuradas. Imagine cápsulas, veículos ou até sapatos com o tipo certo de supercondutores à temperatura ambiente. E imagine navegar na mesma velocidade sem precisar usar uma gota de combustível até a hora de desacelerar.

Se pudermos desenvolver supercondutores tipo II à temperatura ambiente, tudo isso pode se tornar realidade. A ciência tem o potencial de torná-lo assim.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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