• Começa com um estrondo

Como funciona a levitação quântica

Com o material certo na temperatura certa e uma trilha magnética, a física realmente permite o movimento perpétuo sem perda de energia.

Principais conclusões

• Em nosso mundo convencional, se você aplicar uma voltagem a qualquer sistema de partículas carregadas, isso fará com que elas se movam, criando uma corrente, mas qualquer que seja a resistência do material pelo qual elas estão passando, resistirá a esse movimento.
• No entanto, sob certas condições de baixa temperatura em certos materiais específicos, a resistência pode cair para zero, criando um meio 'sem perdas' para o fluxo de eletricidade: um supercondutor.
• Ao alavancar as propriedades de certos materiais supercondutores com impurezas dentro deles, uma configuração magnética corretamente configurada pode levar à levitação quântica, assim como você vê aqui!

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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 perpetuamente.

Mas o movimento perpétuo não deveria ser uma impossibilidade na física? É verdade que você não pode violar a lei da conservação da energia, mas você pode fazer com que as forças resistivas em qualquer sistema físico sejam as menores possíveis. No caso da supercondutividade, um conjunto especial de efeitos quânticos realmente permite que a resistência caia até zero, permitindo todos os tipos de fenômenos estranhos, incluindo o que você vê abaixo: levitação quântica. Aqui está a física de como funciona.

Este vídeo de onze anos ainda é chocante para muitos que o veem, mesmo pela segunda, terceira ou centésima vez. Várias coisas, mesmo se você não olhar de perto, já são 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 com os quais você está acostumado - que os físicos chamam de ferroímãs - 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 limalhas de ferro que se alinham em torno de um ímã de barra: um dipolo magnético. Esses ímãs permanentes, ou ferroímãs, permanecem magnetizados mesmo após a retirada de quaisquer campos magnéticos externos.

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.

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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 aqueles que também são paramagnéticos ou ferromagnéticos terão efeitos que podem inundar os diamagnéticos facilmente.

Então, o que acontece dentro desses materiais não ferromagnéticos quando você aplica um campo magnético externo? Em geral, esses materiais 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, 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 muda 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 .

Quando você move um ímã para dentro (ou fora) de um laço ou bobina de fio, isso faz com que o campo mude ao redor do condutor, o que causa uma força nas partículas carregadas e induz seu movimento, criando uma corrente. Os fenômenos são muito diferentes se o ímã estiver parado e a bobina for movida, mas as correntes geradas são as mesmas. Ao alterar o campo magnético dentro de um condutor, você induz uma corrente elétrica.

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.

Agora, em temperaturas normais, as correntes parasitas criadas no interior são extremamente temporárias, pois encontram resistência e decaem.

Mas e se você eliminasse a resistência? E se você dirigisse até o fim zero ?

Acredite ou não, você pode reduzir a resistência a zero em praticamente qualquer material; tudo o que você precisa fazer é trazê-lo para temperaturas baixas o suficiente, até que se torne um supercondutor !

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 não apenas serão capazes, mas terão que persistir indefinidamente.

Esses materiais levitantes são de fato feitos de materiais específicos que supercondutores – 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.

Todo material tem uma temperatura crítica (rotulada Tc, abaixo), e quando você resfria esse material abaixo de sua temperatura crítica, ele não tem mais algum resistência à corrente elétrica. Mas o que acontece quando você baixa a temperatura de um material abaixo de sua temperatura crítica, para torná-lo supercondutor? Ele expele todos os campos magnéticos de dentro! Isso é conhecido como o Efeito Meissner , e transforma um material supercondutor em um diamagneto perfeito.

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.

Materiais como alumínio, chumbo ou mercúrio se comportam como supercondutores exatamente dessa maneira quando você os resfria abaixo de suas temperaturas críticas, expelindo todos os campos magnéticos internos. Mas a maioria dos materiais supercondutores irá superconduzir em temperaturas mais altas e mais acessíveis se você misturar vários tipos de átomos para criar vários compostos, e esses compostos podem ter propriedades diferentes em diferentes locais do material.

Isso nos permite ir um passo além de simplesmente criar um supercondutor.

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 como não pode entrar na região expelida, os campos alinhados são fixados dentro das regiões impuras.

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.

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, obtida 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.

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.

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.

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.

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.

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: um dispositivo que pode continuar em movimento, para sempre, sem perder energia enquanto continua se movendo.

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 e pressão normal, tudo isso poderá se tornar realidade. Se você começar no zero absoluto, ou 0 K na escala de temperatura Kelvin, chegamos a mais da metade do caminho para supercondutores à temperatura ambiente à pressão atmosférica. A ciência tem o potencial de realmente trazer esse “santo graal” da física de baixa temperatura para a realidade em um futuro muito próximo.

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