Descreva a supercondutividade, a equação de London e o efeito de diamagnetismo ideal. O que é o efeito Meissner? O que é o modelo BCS e pares de Cooper?
Passo 1
O enunciado pede para descrever vários conceitos de física da matéria condensada: supercondutividade, equação de London, diamagnetismo ideal, efeito Meissner, modelo BCS e pares de Cooper. Vamos definir cada um deles de forma didática.
Passo 2
Supercondutividade é o fenômeno em que certos materiais, ao serem resfriados abaixo de uma temperatura crítica
, apresentam resistência elétrica nula e expulsão de campos magnéticos do seu interior. Isso ocorre porque os elétrons formam um estado coletivo que conduz corrente sem dissipação de energia.
Passo 3
Para explicar como o campo magnético é expulso, os irmãos London propuseram duas equações que descrevem o comportamento da densidade de corrente supercondutora
:
As equações de London são
As equações de London são
Passo 4
O efeito de diamagnetismo ideal significa que o material supercondutor repele totalmente o campo magnético, mantendo
em seu interior (exceto numa fina camada de penetração
).
Passo 5
O efeito Meissner é justamente essa expulsão completa do campo magnético, independentemente do histórico de aplicação do campo: mesmo se o material já estiver supercondutor e depois for aplicado
, ele conseguirá expulsá-lo, comprovando que a supercondutividade não é simplesmente resistência zero, mas um estado termodinâmico distinto.
Passo 6
O modelo BCS (Bardeen–Cooper–Schrieffer) explica microscopicamente a supercondutividade em metais convencionais: elétrons interagem com as vibrações da rede (fônons) e formam pares ligados chamados pares de Cooper. Cada par de Cooper comporta-se como bóson, podendo condensar no mesmo estado quântico e fluir sem resistência.
Passo 7
Nos pares de Cooper, dois elétrons de momenta opostas e spins opostos se atraem efetivamente via troca de fônons. A energia de ligação do par cria uma lacuna (gap)
no espectro de excitações, tornando o estado supercondutor estável até que a energia térmica destrua os pares acima de
.
Resposta
Supercondutividade é o estado em que um material abaixo de
apresenta resistência nula e expulsa campos magnéticos. As equações de London descrevem como a densidade de corrente supercondutora gera o diamagnetismo perfeito, com penetração de campo limitada a
. O efeito Meissner é a expulsão completa de
do interior do supercondutor. O modelo BCS atribui a supercondutividade à formação de pares de Cooper (elétrons atraídos indiretamente por fônons) que condensam num estado quântico único, criando um gap de energia
e permitindo a condução sem dissipação.