Física da supercondutividade

Temperaturas de transição

A grande maioria dos supercondutores conhecidos tem temperaturas de transição entre 1 K e 10 K. Dos elementos químicos, o tungstênio tem a temperatura de transição mais baixa, 0,015 K, e o nióbio, a 9,2 K. a temperatura mais alta é geralmente muito sensível a a presença de impurezas magnéticas. Algumas partes por milhão de manganês em zinco, por exemplo, diminuem consideravelmente a temperatura de transição.

Calor específico e condutividade térmica

As propriedades térmicas de um supercondutor podem ser comparadas com as do mesmo material na mesma temperatura no estado normal. (O material pode ser forçado ao estado normal a baixa temperatura por um campo magnético suficientemente grande.)

Quando uma pequena quantidade de calor é colocada em um sistema, parte da energia é usada para aumentar as vibrações da rede (uma quantidade que é a mesma para um sistema no estado normal e no supercondutor), e o restante é usado para aumentar a energia dos elétrons de condução. O calor específico eletrônico (C _e) dos elétrons é definido como a razão entre a porção do calor usada pelos elétrons e o aumento da temperatura do sistema. O calor específico dos elétrons em um supercondutor varia com a temperatura absoluta (T) no estado normal e no supercondutor (como mostrado na Figura 1). O calor específico eletrônico no estado supercondutor (designado C _es) é menor do que no estado normal (designado C _en) a temperaturas suficientemente baixas, mas C _es se torna maior que C _en quando a temperatura de transição T _c é aproximada, momento em que cai abruptamente para C _en para os supercondutores clássicos, embora a curva tenha uma forma de cúspide próxima a T _c para os supercondutores de alta T _c. Medições precisas indicaram que, a temperaturas consideravelmente abaixo da temperatura de transição, o logaritmo do calor específico eletrônico é inversamente proporcional à temperatura. Essa dependência da temperatura, juntamente com os princípios da mecânica estatística, sugere fortemente que existe uma lacuna na distribuição dos níveis de energia disponíveis para os elétrons em um supercondutor, de modo que é necessária uma energia mínima para a excitação de cada elétron de um estado abaixo a diferença para um estado acima da diferença. Alguns dos supercondutores de alta T _c fornecem uma contribuição adicional ao calor específico, que é proporcional à temperatura. Esse comportamento indica que existem estados eletrônicos em baixa energia; evidência adicional de tais estados é obtida a partir de propriedades ópticas e medições de tunelamento.

O fluxo de calor por unidade de área de uma amostra é igual ao produto da condutividade térmica (K) e ao gradiente de temperatura △ T: J _Q = -K △ T, o sinal de menos indicando que o calor sempre flui de uma região mais quente para uma região mais fria de uma substância.

A condutividade térmica no estado normal (K _n) se aproxima da condutividade térmica no estado supercondutor (K _s) à medida que a temperatura (T) se aproxima da temperatura de transição (T _c) para todos os materiais, sejam eles puros ou impuros. Isso sugere que a diferença de energia (Δ) para cada elétron se aproxima de zero quando a temperatura (T) se aproxima da temperatura de transição (T _c). Isso também explicaria o fato de que o calor específico eletrônico no estado supercondutor (C _es) é maior do que no estado normal (C _en) próximo à temperatura de transição: à medida que a temperatura é elevada em direção à temperatura de transição (T _c), o gap de energia no estado supercondutor diminui, o número de elétrons termicamente excitados aumenta e isso requer a absorção de calor.