6.11 Supercondutividade e efeito Josephson

Início ／ Capítulo 6: Domínio quântico (V5.05)

I. Fenômenos e questões

Ao resfriarmos certos metais ou cerâmicas, a resistência cai abaixo do mensurável e uma corrente pode circular por anos sem decair. O campo magnético aplicado é expulso do volume e só penetra como tubos de fluxo quantizados. Com uma barreira isolante muito fina entre dois supercondutores, flui uma corrente estável mesmo sem tensão; sob irradiação de alta frequência, a tensão exibe degraus discretos.

Essas marcas — resistência nula, diamagnetismo perfeito (com penetração quantizada), supercorrente a zero bias e degraus sob radiofrequência — levantam perguntas diretas: por que a “fricção” desaparece ao resfriar? por que o campo entra apenas em quantas fixos? como a corrente atravessa um isolante e por que as micro-ondas geram patamares regulares de tensão?

II. Leitura pela EFT: pares de elétrons com fase travada, canais de dissipação fechados e revezamento coerente através de uma barreira

1. Emparelhar primeiro, depois costurar a fase.
   Na Teoria dos Filamentos de Energia (EFT), o elétron é um enrolamento estável cuja camada externa interage com a mar de energia (Energy Sea) e a rede cristalina. Ao resfriar, o tremor do retículo diminui e, em certos materiais, abre um “corredor de tensão” mais liso para que dois elétrons se sigam com orientações opostas e formem um par eletrônico. O emparelhamento cancela ou reduz muitos canais dissipativos. Resfriando mais, as fases externas de numerosas duplas se alinham e tecem uma rede de fase comum que cobre toda a amostra — como uma “almofada/alfombra de fase” fluida.
2. Por que resistência zero: fechar perdas de modo coletivo.
   A resistência usual nasce de caminhos minúsculos que vazam energia — impurezas, fonons, rugosidades. Com a almofada de fase expandida, rugas locais que quebram a coerência nucleiam com dificuldade e o limiar de perda sobe bruscamente. Enquanto o drive não rasgar a almofada, a corrente não perde energia: mede-se resistência nula.
3. Por que expulsão e quantização de fluxo: a fase resiste torções.
   Para permanecer lisa, a almofada de fase não pode ser torcida à vontade pelo campo. Correntes de blindagem aparecem na superfície e expulsam o campo (Meissner). Em alguns materiais, o campo entra como tubos finos, cada qual exigindo um número inteiro de voltas de fase: quantização de fluxo. Visualmente, cada tubo é um núcleo oco de tensão em torno do qual a fase se enrola; eles se repelem e podem formar arranjos geométricos.
4. Por que a corrente Josephson: revezamento coerente numa fenda quase crítica.
   Duas almofadas de fase separadas por um isolante ultrafino deixam uma fenda em estado próximo ao limiar. Por essa passagem estreita as fases dos dois lados se revezam coerentemente: não é uma partícula “empurrando”, e sim um ponte de fase curto que se costura entre as bordas.
   • Se os dois lados batem no mesmo compasso, o ponte transmite a fase e surge supercorrente contínua sem tensão (Josephson dc).
   • Se os compassos diferem — por uma tensão dc ou uma radiofrequência aplicada —, a diferença de fase avança uniformemente ou trava no estímulo externo, e o ponte bombeia supercorrente em ritmos fixos: resposta ac e degraus de tensão sob micro-ondas.
5. Por que há limites: defeitos e rasgos reabrem perdas.
   Corrente alta, campo forte, temperatura elevada ou sítios de pinagem para vórtices quantizados podem puxar a almofada, abrir furos e deixar a energia escapar: aparecem corrente crítica, picos de perda e não linearidades.

III. Cenários típicos

• Duas famílias de supercondutores.
  Alguns expulsam quase todo o campo e falham de modo abrupto acima de um limiar; outros admitem fluxo em tubos, formam redes de vórtices em campo alto e ainda conduzem. São tolerâncias distintas da almofada de fase à torção magnética.
• Anéis supercondutores e correntes persistentes.
  Em um laço fechado a fase deve dar um número inteiro de voltas; sem rasgo, a corrente persiste. Se ajustamos o fluxo para um valor não inteiro, o sistema salta para o inteiro mais próximo, criando estados discretos e estáveis.
• Juncões túnel e ligações fracas.
  Em uma fenda ultrafina flui supercorrente a zero tensão; sob micro-ondas, a tensão trava em degraus regulares — a assinatura de bloqueio de fase ao compasso externo.
• Laços em paralelo: interferômetros.
  Dois “pontes de fase” em anel capturam defasagens distintas do fluxo externo; a supercorrente oscila periodicamente com o fluxo e permite magnetometria ultrassensível.

IV. Impressões observáveis

• Queda abrupta para resistência zero em temperatura crítica.
• Diamagnetismo perfeito ou redes geométricas de tubos de fluxo.
• Supercorrente sem tensão e corrente crítica definida.
• Degraus de tensão sob radiofrequência (bloqueio de fase).
• Periodicidade de interferência em anéis.
• Pinagem e escorregamento de vórtices: defeitos reduzem perdas e elevam a corrente crítica; vórtices móveis geram picos dissipativos.

V. Convergência com a descrição convencional

• A descrição clássica usa um parâmetro de ordem macroscópico (amplitude complexa com fase) para o condensado de pares. A resistência zero vem do fluxo de fase sem dissipação; o diamagnetismo, de uma fase que resiste a se torcer; a quantização de fluxo e os vórtices, da exigência de enrolamentos inteiros.
• A EFT reconta a mesma física em geometria tangível: par eletrônico = enrolamentos emparelhados; almofada/alfombra de fase = rede de fase comum em toda a amostra; resistência zero = fechamento coletivo de canais de perda; quantização de fluxo = defeitos topológicos de núcleo oco; efeito Josephson = ponte de fase curta costurada numa fenda quase crítica. Os dois relatos concordam em fenômenos e relações quantitativas; a EFT adiciona uma narrativa material de “fios e mar”.

VI. Em resumo

A supercondutividade não é “eletrões que de repente ficam perfeitos”. Primeiro emparelham, depois travamos a fase e tecemos uma almofada comum:

• Sob excitação suave, a almofada fecha as perdas → resistência zero.
• A almofada rejeita torções arbitrárias → expulsa o campo ou o admite apenas como vórtices quantizados.
• Entre duas almofadas, uma fenda quase crítica deixa costurar um ponte de fase → supercorrente a zero tensão; com micro-ondas, trava em degraus regulares.

Em uma linha: emparelhar, travar a fase, revezar através da fenda — aí está a “mágica” da supercondutividade e do efeito Josephson.