Supercondutividade

A supercondutividade foi descoberta no mercúrio sólido em 8 de abril de 1911 por Heike Kamerlingh Onnes e sua equipe em Leiden, da qual participaram Gilles Holst, Cornelis Dorsman e Gerrit Jan Flim. O grupo estudava a resistência do mercúrio a temperaturas criogênicas usando como refrigerante o hélio líquido, produzido havia pouco tempo. À temperatura de 4,2 K, eles observaram que a resistência desaparecia abruptamente. No mesmo experimento, foi observada também a transição superfluida do hélio a 2,2 K, sem que seu significado fosse percebido. A data e as circunstâncias exatas da descoberta só foram reconstruídas um século depois, quando foi encontrado o caderno de anotações de Onnes. Nas décadas seguintes, a supercondutividade foi observada em outros materiais. Em 1913, descobriu-se que o estanho e o chumbo se tornam supercondutores a 3,8 K e 7 K, respectivamente. Em 1941, verificou-se que o nitreto de nióbio se torna supercondutor a 16 K.

O estudo da causa e do funcionamento da supercondutividade avançou em 1933, quando Walther Meißner e Robert Ochsenfeld descobriram que os supercondutores expulsavam campos magnéticos aplicados, fenômeno que recebeu o nome de efeito Meissner. Em 1935, Fritz e Heinz London mostraram que o efeito Meissner decorre da minimização da energia livre termodinâmica eletromagnética transportada pela corrente supercondutora.

Equações constitutivas de London

O primeiro modelo teórico concebido para a supercondutividade era inteiramente clássico e é resumido pelas equações constitutivas de London. Ele foi proposto pelos irmãos Fritz e Heinz London em 1935, pouco depois da descoberta da expulsão dos campos magnéticos pelos supercondutores. As equações explicam o efeito Meissner, no qual o campo magnético interno decai exponencialmente quando o material cruza o limiar de supercondutividade. A equação de London permite obter a dependência do campo magnético no interior do supercondutor em função da distância até a superfície.

As duas equações constitutivas de London para um supercondutor são:

A primeira equação decorre da segunda lei de Newton aplicada aos elétrons supercondutores.

Teorias convencionais na década de 1950

Na década de 1950, físicos da física da matéria condensada chegaram a uma explicação da supercondutividade "convencional" por meio de duas teorias, a teoria fenomenológica de Ginzburg-Landau, de 1950, e a teoria microscópica BCS, de 1957.

Em 1950, Lev Landau e Vitaly Ginzburg formularam a teoria fenomenológica de Ginzburg-Landau para a supercondutividade. A teoria combinava a teoria de Landau das transições de fase de segunda ordem com uma equação de onda semelhante à equação de Schrödinger e explicava propriedades macroscópicas dos supercondutores. Alexei Alexeevich Abrikosov mostrou que a teoria de Ginzburg-Landau prevê a divisão dos supercondutores nas duas categorias hoje chamadas de tipo I e tipo II. Abrikosov e Ginzburg receberam o Nobel de Física de 2003 por seus trabalhos. Landau havia recebido o prêmio de 1962 por outros trabalhos e morreu em 1968. A extensão quadridimensional da teoria de Ginzburg-Landau, o modelo de Coleman-Weinberg, tem aplicações em teoria quântica de campos e cosmologia.

Também em 1950, Maxwell e Reynolds e seus colaboradores descobriram que a temperatura crítica de um supercondutor depende da massa isotópica do elemento que o constitui. A descoberta apontava para a interação entre elétrons e fônons como mecanismo microscópico da supercondutividade.

A teoria microscópica completa da supercondutividade foi proposta em 1957 por John Bardeen, Leon Neil Cooper e John Robert Schrieffer. A teoria BCS explicava a corrente supercondutora como um superfluido de pares de Cooper, pares de elétrons que interagem por meio da troca de fônons. Os três autores receberam o Nobel de Física de 1972 por esse trabalho.

Em 1958, Nikolai Bogoliubov mostrou que a função de onda BCS, originalmente obtida por um argumento variacional, podia ser derivada por meio de uma transformação canônica do hamiltoniano eletrônico. Em 1959, Lev Gor'kov mostrou que a teoria BCS se reduz à teoria de Ginzburg-Landau nas proximidades da temperatura crítica.

Generalizações da teoria BCS para supercondutores convencionais formam a base para a compreensão da superfluidez, pois pertencem à mesma classe de universalidade da transição lambda. A extensão em que essas generalizações podem ser aplicadas aos supercondutores não convencionais ainda é discutida.

Nióbio

A primeira aplicação prática da supercondutividade surgiu em 1954, com a invenção do criotron por Dudley Allen Buck. Dois supercondutores com valores muito diferentes de campo magnético crítico são combinados para produzir uma chave rápida e simples destinada a elementos de computador.

Pouco depois de descobrir a supercondutividade em 1911, Kamerlingh Onnes tentou construir um eletroímã com enrolamentos supercondutores, mas verificou que campos magnéticos relativamente fracos destruíam a supercondutividade dos materiais que estudava. Em 1955, G. B. Yntema conseguiu construir um pequeno eletroímã de núcleo de ferro, com campo de 0,7 tesla, usando enrolamentos de fio supercondutor de nióbio. Em 1961, J. E. Kunzler, E. Buehler, F. S. L. Hsu e J. H. Wernick descobriram que, a 4,2 K, o nióbio-estanho, composto de três partes de nióbio para uma de estanho, podia suportar uma densidade de corrente superior a 100.000 amperes por centímetro quadrado em um campo magnético de 8,8 tesla. A liga era quebradiça e difícil de fabricar, mas o nióbio-estanho mostrou-se útil para produzir campos magnéticos de até 20 tesla.

Em 1962, T. G. Berlincourt e R. R. Hake descobriram que ligas mais dúcteis de nióbio e titânio eram adequadas para aplicações de até 10 tesla. A produção comercial de fio supercondutor de nióbio-titânio começou logo depois na Westinghouse Electric Corporation e na Wah Chang Corporation. Embora o nióbio-titânio tenha propriedades supercondutoras inferiores às do nióbio-estanho, tornou-se o material mais usado em superímãs, em grande parte por sua alta ductilidade e facilidade de fabricação. Nióbio-estanho e nióbio-titânio passaram a ser empregados em equipamentos médicos de ressonância magnética, ímãs de deflexão e focalização de grandes aceleradores de partículas e outras aplicações. O Conectus, consórcio europeu de supercondutividade, estimou que, em 2014, a atividade econômica mundial dependente da supercondutividade somava cerca de cinco bilhões de euros, dos quais aproximadamente 80% correspondiam a sistemas de ressonância magnética.

Efeito Josephson

Em 1962, Brian Josephson previu teoricamente que uma supercorrente poderia fluir entre dois supercondutores separados por uma fina camada isolante. No ano seguinte, P. W. Anderson e J. M. Rowell observaram em junções de estanho e chumbo separadas por uma fina barreira de óxido uma corrente de tunelamento compatível com a corrente contínua prevista por Josephson. O fenômeno, chamado de efeito Josephson, é explorado em dispositivos supercondutores como os SQUIDs. Ele permite algumas das medições mais precisas do quantum de fluxo magnético Φ₀ = h/(2e), em que h é a constante de Planck. Em conjunto com a resistividade do efeito Hall quântico, isso permite uma medição precisa da constante de Planck. Josephson recebeu o Nobel de Física de 1973 por esse trabalho.

Em 2008, foi proposto que o mesmo mecanismo responsável pela supercondutividade poderia produzir, em alguns materiais, um estado de superisolante, com resistência elétrica quase infinita. O desenvolvimento e estudo, em 2020, de um condensado de Bose-Einstein supercondutor sugeriu uma "transição suave" entre os regimes de condensado de Bose-Einstein e Bardeen-Cooper-Schrieffer.

Materiais bidimensionais

Foram relatados diferentes tipos de supercondutividade em dispositivos produzidos com materiais monocamada. Alguns desses materiais podem alternar entre comportamentos condutores, isolantes e outros estados.

A torção das camadas cria um padrão moiré de células hexagonais que se comportam como átomos e abrigam elétrons. Nesse ambiente, os elétrons movem-se devagar o bastante para que suas interações coletivas determinem seu comportamento. Quando há um único elétron por célula, os elétrons assumem uma disposição antiferromagnética. Cada elétron pode ter posição e orientação magnética preferenciais, e os campos magnéticos intrínsecos tendem a alternar entre orientações opostas. A adição de elétrons permite o surgimento de supercondutividade pela formação de pares de Cooper. Fu e Schrade propuseram que interações entre elétrons permitiam os estados antiferromagnético e supercondutor.

O primeiro resultado desse tipo com materiais bidimensionais foi obtido em uma folha de grafeno bicamada torcida em 2018, com T_c de aproximadamente 1,7 K e ângulo de torção de 1,1°. Um dispositivo de grafeno de três camadas torcidas apresentou supercondutividade em 2021, com T_c de aproximadamente 2,8 K. Em 2022, foi relatada supercondutividade em grafeno tricamada sem torção, com T_c entre 1 e 2 K. Mais tarde mostrou-se que esse último sistema podia ser ajustado com facilidade, reproduzindo comportamentos encontrados em milhões de outras configurações. A observação direta das alterações causadas pela adição de elétrons ou por uma pequena redução do campo elétrico permite testar rapidamente muitas configurações em busca daquelas que produzem supercondutividade.

Em grafeno romboédrico de quatro e cinco camadas foi observada uma forma de supercondutividade com quebra espontânea da simetria de reversão temporal, chamada "supercondutividade quiral". Não foram observados efeitos de super-rede nesses sistemas, e eles podem alternar entre dois estados magnéticos sem deixar a fase supercondutora. Esse comportamento difere de outras observações envolvendo supercondutividade e campos magnéticos.

Esses dispositivos têm possíveis aplicações em computação quântica.

Materiais bidimensionais diferentes do grafeno também foram levados ao estado supercondutor. Folhas de calcogenetos de metais de transição torcidas em 5 graus apresentaram supercondução de forma intermitente pela criação de uma junção Josephson. O dispositivo empregava finas camadas de paládio ligadas às laterais de uma camada de ditelureto de tungstênio, protegida por nitreto de boro. Outro grupo demonstrou supercondução em ditelureto de molibdênio, MoTe₂, em materiais bidimensionais de van der Waals por meio de paredes de domínio ferroelétrico. A temperatura crítica indicada era superior à típica dos calcogenetos de metais de transição, em torno de 5 a 10 K.

Um grupo da Universidade Cornell acrescentou uma torção de 3,5 graus a um isolante, fazendo com que os elétrons se movessem mais lentamente e interagissem fortemente, com um elétron por célula e surgimento de supercondução. As teorias existentes não explicam esse comportamento.

Fu e colaboradores propuseram que os elétrons se organizam em um cristal periódico no qual a rede eletrônica pode deslocar-se independentemente dos núcleos atômicos de fundo e relaxar. As ondulações dessa rede emparelhariam elétrons de forma semelhante aos fônons, embora a hipótese ainda não tenha sido confirmada.

Os supercondutores podem ser classificados por diferentes critérios. Entre os mais usados estão os seguintes.

Resposta a um campo magnético

Um supercondutor pode ser do tipo I, quando possui um único campo crítico. Acima desse valor a supercondutividade desaparece, enquanto abaixo dele o campo magnético é completamente expulso. Pode também ser do tipo II, quando possui dois campos críticos e, entre eles, admite a penetração parcial do campo magnético através de pontos isolados chamados vórtices. Em supercondutores com vários componentes, os dois comportamentos podem coexistir. Nesse caso fala-se em tipo 1,5.

Teoria de funcionamento

Um supercondutor é convencional quando a supercondutividade decorre da interação elétron-fônon e é explicada pela teoria BCS ou por sua extensão, a teoria de Eliashberg. Caso contrário, é chamado de não convencional. Outra definição chama de não convencional o supercondutor cujo parâmetro de ordem se transforma de acordo com uma representação irredutível não trivial do grupo pontual ou grupo espacial do sistema.

Temperatura crítica

Um supercondutor costuma ser classificado como de alta temperatura quando atinge o estado supercondutor acima de 30 K, cerca de −243,15 °C, como no trabalho inicial de Georg Bednorz e K. Alex Müller. O termo também pode designar materiais que entram no estado supercondutor quando resfriados com nitrogênio líquido, isto é, com T_c > 77 K. Esse emprego costuma apenas enfatizar que o nitrogênio líquido é suficiente para o resfriamento. Supercondutores de baixa temperatura têm temperatura crítica inferior a 30 K e são resfriados principalmente com hélio líquido. Uma exceção à regra é o grupo de supercondutores à base de pnictetos de ferro, que apresenta comportamento característico dos supercondutores de alta temperatura embora alguns membros tenham temperaturas críticas inferiores a 30 K.

Material

As classes de materiais supercondutores abrangem elementos químicos, como mercúrio e chumbo, ligas, como nióbio-titânio, nióbio-germânio e nitreto de nióbio, cerâmicas, como YBCO e diboreto de magnésio, supercondutores à base de pnictetos de ferro, como LaOFeAs dopado com flúor, materiais monocamada como grafeno e calcogenetos de metais de transição, e supercondutores orgânicos, como fulerenos e nanotubos de carbono. Estes últimos exemplos também podem ser incluídos entre os elementos químicos, pois são compostos inteiramente de carbono.

Algumas propriedades físicas dos supercondutores variam de um material para outro, entre elas a temperatura crítica, o valor da lacuna de energia supercondutora, o campo magnético crítico e a densidade de corrente crítica na qual a supercondutividade é destruída. Outras propriedades são comuns aos supercondutores. Entre elas estão o efeito Meissner, a quantização do fluxo magnético e as correntes permanentes, isto é, o estado de resistência nula. Essas propriedades decorrem da natureza da simetria quebrada do supercondutor e do surgimento de ordem de longo alcance fora da diagonal. A supercondutividade é uma fase termodinâmica e possui propriedades próprias pouco dependentes dos detalhes microscópicos. A ordem de longo alcance fora da diagonal está relacionada à formação de pares de Cooper.

Resistência elétrica nula em corrente contínua

A maneira mais simples de medir a resistência elétrica de uma amostra é colocá-la em um circuito elétrico, em série com uma fonte de corrente I, e medir a tensão elétrica V entre seus terminais. Pela Lei de Ohm, a resistência é R = V/I. Se a queda de tensão na amostra for zero, a resistência será zero.

Os supercondutores também podem manter uma corrente sem qualquer tensão aplicada. Essa propriedade é usada em eletroímãs supercondutores, como os encontrados em aparelhos de ressonância magnética. Experimentos mostraram que correntes em bobinas supercondutoras podem persistir durante anos sem degradação mensurável. Evidências experimentais apontam para uma duração de pelo menos 100.000 anos. Estimativas teóricas para a duração de uma corrente persistente podem ultrapassar a idade estimada do Universo, dependendo da geometria do fio e da temperatura. Na prática, correntes injetadas em bobinas supercondutoras permaneceram por 28 anos, 7 meses e 27 dias em um gravímetro supercondutor na Bélgica, de 4 de agosto de 1995 a 31 de março de 2024. Nesses instrumentos, a medição acompanha a levitação de uma esfera supercondutora de nióbio com massa de quatro gramas.

Em um condutor normal, a corrente elétrica pode ser visualizada como um fluido de elétrons que atravessa uma pesada rede iônica. Os elétrons colidem continuamente com os íons da rede. A cada colisão, parte da energia transportada pela corrente é absorvida pela rede e convertida em calor, que corresponde à energia cinética vibracional dos íons. A energia transportada pela corrente é, por isso, continuamente dissipada. Esse é o fenômeno da resistência elétrica e do efeito Joule.

A situação é diferente em um supercondutor. Em um supercondutor convencional, o fluido eletrônico não pode ser separado em elétrons individuais. Ele é constituído por pares ligados de elétrons, os pares de Cooper. O pareamento decorre de uma força atrativa entre os elétrons mediada pela troca de fônons. A ligação é muito fraca e pequenas vibrações térmicas podem rompê-la. Pela mecânica quântica, o espectro de energia do fluido de pares de Cooper apresenta uma lacuna de energia, isto é, há uma quantidade mínima de energia ΔE que precisa ser fornecida para excitar o fluido. Se ΔE for maior que a energia térmica da rede, dada por kT, em que k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura, o fluido não é espalhado pela rede. O fluido de pares de Cooper é, portanto, um superfluido, capaz de fluir sem dissipação de energia.

Nos supercondutores do tipo II, classe que abrange todos os supercondutores de alta temperatura conhecidos, pode surgir uma resistividade muito pequena, mas diferente de zero, em temperaturas não muito abaixo da transição supercondutora quando uma corrente elétrica é aplicada em presença de um campo magnético intenso, que pode ser produzido pela própria corrente. Isso ocorre devido ao movimento de vórtices magnéticos no superfluido eletrônico, dissipando parte da energia transportada pela corrente. Se a corrente for suficientemente pequena, os vórtices permanecem imóveis e a resistividade desaparece. A resistência causada por esse efeito é minúscula em comparação com a dos materiais não supercondutores, mas precisa ser considerada em experimentos sensíveis. Quando a temperatura cai suficientemente abaixo da transição supercondutora, os vórtices podem ficar congelados em uma fase desordenada e estacionária chamada "vidro de vórtices". Abaixo dessa temperatura de transição, a resistência torna-se realmente nula.

Transição de fase

Nos materiais supercondutores, as propriedades da supercondutividade surgem quando a temperatura T cai abaixo de uma temperatura crítica T_c. O valor varia de um material para outro. Os supercondutores convencionais costumam ter temperaturas críticas de aproximadamente 20 K até menos de 1 K. O mercúrio sólido, por exemplo, tem temperatura crítica de 4,2 K. Em 2015, foi observada no sistema de hidretos de enxofre uma transição supercondutora de 203 K, atingida sob pressão de aproximadamente 155 GPa. Em 2019, foi relatada supercondutividade em hidreto de lantânio, LaH₁₀, a cerca de 250 K sob aproximadamente 170 GPa. O resultado apresentou resistência nula, efeito isotópico e redução da temperatura crítica pela aplicação de um campo magnético externo. Os cupratos podem apresentar temperaturas críticas muito mais altas do que os supercondutores convencionais em pressão ambiente. O YBa₂Cu₃O₇, um dos primeiros supercondutores cupratos descobertos, tem temperatura crítica superior a 90 K, e cupratos à base de mercúrio foram encontrados com temperaturas críticas superiores a 130 K. O mecanismo físico responsável pelas altas temperaturas críticas desses materiais ainda não está esclarecido. Sabe-se que há pareamento de dois elétrons, embora a natureza desse pareamento, onda ou onda , ainda seja discutida.

Duas alegações posteriores de supercondutividade próxima ou acima da temperatura ambiente receberam ampla atenção, mas os artigos que as apresentaram foram retratados. O trabalho de 2020 sobre um hidreto de enxofre carbonáceo foi retratado pela Nature em 2022 após questionamentos sobre o processamento e a análise dos dados. Um artigo de 2023 sobre hidreto de lutécio dopado com nitrogênio foi retratado no mesmo ano, depois que surgiram problemas relacionados à procedência das amostras, às medições e ao processamento dos dados.

De modo semelhante, a uma temperatura fixa inferior à temperatura crítica, um material deixa de ser supercondutor quando recebe um campo magnético externo maior que o seu campo magnético crítico. Isso ocorre porque a energia livre de Gibbs da fase supercondutora aumenta quadraticamente com o campo magnético, enquanto a energia livre da fase normal é aproximadamente independente dele. Se o material é supercondutor na ausência de campo, a energia livre da fase supercondutora é menor que a da fase normal. Para algum valor finito do campo magnético, proporcional à raiz quadrada da diferença entre as energias livres a campo zero, as duas energias tornam-se iguais e ocorre uma transição para a fase normal. De modo geral, uma temperatura mais alta e um campo magnético mais intenso reduzem a fração de elétrons que permanece supercondutora e aumentam a profundidade de penetração de London dos campos magnéticos externos e das correntes. A profundidade de penetração diverge na transição de fase.

O início da supercondutividade é acompanhado por mudanças abruptas em propriedades físicas, característica de uma transição de fase. A capacidade térmica eletrônica, por exemplo, é proporcional à temperatura no regime normal. Na transição supercondutora ela apresenta um salto descontínuo e deixa de variar linearmente. Em temperaturas baixas passa a variar como e^−α/T, para uma constante α. Esse comportamento exponencial é uma das evidências da existência da lacuna de energia.

A ordem da transição de fase supercondutora foi discutida durante muito tempo. Experimentos mostram uma transição de segunda ordem, sem calor latente. Na presença de um campo magnético externo, porém, há calor latente, porque a fase supercondutora tem entropia menor que a fase normal abaixo da temperatura crítica. Foi demonstrado experimentalmente que, ao se aumentar o campo magnético além do campo crítico, a transição resultante provoca uma queda na temperatura do material supercondutor.

Cálculos realizados na década de 1970 apontaram que a transição poderia ser fracamente de primeira ordem por causa de flutuações de longo alcance no campo eletromagnético. Na década de 1980, uma teoria de campos de desordem, na qual as linhas de vórtice do supercondutor têm papel fundamental, mostrou que a transição é de segunda ordem no regime do tipo II e de primeira ordem, com calor latente, no regime do tipo I. As duas regiões são separadas por um ponto tricrítico. Simulações de Monte Carlo deram forte apoio a esses resultados.

Efeito Meissner

Quando um supercondutor é colocado em um campo magnético externo fraco B_a = H_a e resfriado abaixo de sua temperatura de transição, o campo magnético é expulso. O efeito Meissner não faz com que o campo seja eliminado de forma absoluta. Ele penetra no supercondutor por uma distância muito pequena, caracterizada pelo parâmetro λ, a profundidade de penetração de London, e decai exponencialmente até zero no interior do material. O efeito Meissner é uma propriedade que distingue o estado supercondutor. Na maioria dos supercondutores, a profundidade de penetração de London é da ordem de 100 nm.

O efeito Meissner às vezes é confundido com o tipo de diamagnetismo esperado de um condutor elétrico perfeito. Pela Lei de Lenz, quando um campo magnético variável é aplicado a um condutor, ele induz uma corrente elétrica que cria um campo magnético oposto. Em um condutor perfeito, uma corrente arbitrariamente grande poderia ser induzida e o campo resultante cancelaria exatamente a variação do campo aplicado.

O efeito Meissner é diferente. Trata-se de uma expulsão espontânea que ocorre durante a transição para a supercondutividade. Se um material em estado normal contiver um campo magnético interno constante e for resfriado abaixo da temperatura crítica, haverá uma expulsão abrupta desse campo interno, algo que não decorre da lei de Lenz.

O efeito Meissner recebeu uma explicação fenomenológica dos irmãos Fritz e Heinz London. Eles mostraram que a energia livre eletromagnética em um supercondutor é minimizada quando

em que B é o campo magnético e λ é a profundidade de penetração de London.

A equação, conhecida como equação de London, prevê que o campo magnético no interior de um supercondutor apresenta decaimento exponencial a partir do valor que possui na superfície.

Um supercondutor com pouco ou nenhum campo magnético no interior encontra-se no estado de Meissner. Esse estado deixa de existir quando o campo aplicado é forte demais. Nos supercondutores do tipo I, a supercondutividade é destruída abruptamente quando o campo aplicado ultrapassa um valor crítico H_c. Dependendo da geometria da amostra, pode surgir um estado intermediário composto por um padrão de regiões de material normal que contêm campo magnético e regiões supercondutoras sem campo. Nos supercondutores do tipo II, quando o campo aplicado ultrapassa um primeiro valor crítico H_c1, surge um estado misto, também chamado estado de vórtices, no qual uma quantidade crescente de fluxo magnético penetra no material. Ainda assim, não há resistência ao fluxo de corrente elétrica enquanto a corrente não for grande demais. Em um segundo campo crítico, H_c2, a supercondutividade é destruída. O estado misto é causado por vórtices no superfluido eletrônico, às vezes chamados de fluxons, porque o fluxo transportado por esses vórtices é quantizado. A maioria dos supercondutores elementares puros, com exceção do nióbio e dos nanotubos de carbono, é do tipo I. Quase todos os supercondutores impuros e compostos são do tipo II.

Em demonstrações com YBCO resfriado por nitrogênio líquido, a levitação estável não decorre apenas do efeito Meissner. Nos supercondutores do tipo II, parte do fluxo magnético penetra como vórtices quantizados. Defeitos do material podem prender esses vórtices, fenômeno chamado aprisionamento de fluxo. A imobilização produz forças restauradoras que mantêm a posição relativa entre o supercondutor e o campo magnético e também reduz a dissipação associada ao movimento dos vórtices.

Momento de London

Um supercondutor em rotação gera um campo magnético alinhado precisamente com seu eixo de rotação. O efeito, conhecido como momento de London, foi empregado no Gravity Probe B. O experimento mediu os campos magnéticos de quatro giroscópios supercondutores para determinar seus eixos de rotação. Esse era um dos poucos meios de determinar com precisão o eixo de rotação de uma esfera sem marcas externas.

Os supercondutores de alta temperatura são materiais que entram no estado supercondutor a temperaturas mais elevadas que as dos supercondutores convencionais. O termo costuma ser aplicado a materiais com temperatura crítica superior a 30 K e, em particular, aos que podem ser resfriados até o estado supercondutor com nitrogênio líquido, cujo ponto de ebulição é de aproximadamente 77 K.

Em 1986, Georg Bednorz e K. Alex Müller observaram supercondutividade a cerca de 35 K em um cuprato de lantânio e bário. Pouco depois, compostos à base de YBCO atingiram temperaturas críticas superiores a 90 K, permitindo o uso de nitrogênio líquido como refrigerante. Outros cupratos alcançaram temperaturas críticas superiores a 130 K.

Em 2008, foram descobertos supercondutores à base de ferro. Alguns compostos dessa classe atingem temperaturas críticas superiores a 50 K. Em pressões muito elevadas, hidretos também apresentaram temperaturas críticas ainda maiores. Em 2015, foi observada uma transição supercondutora de 203 K no sistema de hidretos de enxofre, e em 2019 foi relatada supercondutividade a cerca de 250 K no hidreto de lantânio sob aproximadamente 170 GPa.

Nos cupratos e em outros supercondutores não convencionais, o mecanismo microscópico responsável pelo pareamento dos elétrons ainda não é completamente compreendido. A teoria BCS, baseada no acoplamento entre elétrons e fônons, explica os supercondutores convencionais, mas não fornece por si só uma descrição completa da supercondutividade de alta temperatura.

Os supercondutores são candidatos a elementos fundamentais de circuitos eletrônicos, spintrônicos e de tecnologias quânticas. Um exemplo é o diodo supercondutor, no qual a supercorrente flui em apenas uma direção, permitindo dispositivos supercondutores e híbridos semicondutor-supercondutor sem dissipação resistiva.

Ímãs supercondutores estão entre os eletroímãs mais potentes produzidos. São usados em aparelhos de ressonância magnética e ressonância magnética nuclear, espectrômetros de massa, ímãs para conduzir feixes em aceleradores de partículas e ímãs para confinamento de plasma em alguns tokamaks. Também podem ser empregados em separação magnética, na qual partículas fracamente magnéticas são extraídas de um meio de partículas menos magnéticas ou não magnéticas, como na indústria de pigmentos. Outra aplicação está em grandes turbinas eólicas, nas quais podem contornar limitações causadas por correntes elétricas elevadas. Um gerador eólico supercondutor de 3,6 megawatts foi testado em condições de campo na Dinamarca.

Uma transição local de parte de uma bobina supercondutora para o estado resistivo é chamada de quench. A energia armazenada no campo magnético pode aquecer a região e fazer a transição se propagar pelo condutor. Grandes ímãs supercondutores usam sistemas de detecção e proteção para retirar ou distribuir essa energia de maneira controlada e evitar danos ao equipamento.

Nos aceleradores de partículas, a supercondutividade também é empregada em cavidades de radiofrequência. Essas cavidades fornecem campos elétricos oscilantes que aceleram partículas carregadas. O nióbio é o material mais usado, e suas baixas perdas elétricas no estado supercondutor permitem manter campos aceleradores intensos com dissipação relativamente pequena.

Nas décadas de 1950 e 1960, supercondutores foram usados na construção de computadores digitais experimentais com chaves criotron. Mais recentemente, passaram a ser empregados em circuitos digitais baseados na tecnologia de fluxo quântico rápido de pulso único e em filtros de radiofrequência e micro-ondas para estações-base de telefonia móvel.

Supercondutores são usados na construção de junções Josephson, heteroestruturas formadas por duas regiões supercondutoras acopladas, por exemplo, através de uma barreira condutora normal, S-N-S, ou isolante, S-I-S. Elas constituem os elementos básicos dos SQUIDs, dispositivos supercondutores de interferência quântica que estão entre os magnetômetros mais sensíveis. SQUIDs são empregados em microscópios de varredura SQUID e em magnetoencefalografia. Séries de dispositivos Josephson são usadas para realizar o SI volt. Detectores supercondutores de fótons podem ser construídos em diferentes configurações. Conforme o modo de operação, uma junção Josephson supercondutor-isolante-supercondutor pode funcionar como detector de fótons ou como misturador eletrônico. A grande mudança de resistência na passagem do estado normal para o estado supercondutor é usada na construção de termômetros para detectores criogênicos de fótons do tipo microcalorímetro. O mesmo efeito é empregado em bolômetros ultrassensíveis feitos com materiais supercondutores. Detectores de fóton único de nanofio supercondutor oferecem alta velocidade e baixo ruído e são usados em aplicações avançadas de contagem de fótons.

Há ainda mercados nos quais as vantagens de eficiência, tamanho e massa dos dispositivos de supercondutividade de alta temperatura compensam seus custos extras. Em turbinas eólicas, por exemplo, o menor peso e volume dos geradores supercondutores pode reduzir os custos da estrutura e da torre, compensar o preço mais alto do gerador e reduzir o custo nivelado de eletricidade.

Possíveis aplicações incluem redes elétricas inteligentes de alto desempenho, transmissão de energia elétrica, transformadores, armazenamento de energia magnética por supercondutores, dispositivos compactos de energia de fusão, motores elétricos, inclusive para propulsão de veículos como vactrains e trens maglev, dispositivos de levitação magnética, limitadores de corrente de falta, dispositivos spintrônicos aprimorados com materiais supercondutores e refrigeração magnética supercondutora. A supercondutividade, porém, é sensível a campos magnéticos variáveis. Por isso, aplicações que usam corrente alternada, como transformadores, são mais difíceis de desenvolver do que aquelas baseadas em corrente contínua. Em comparação com linhas convencionais, linhas de transmissão supercondutoras são mais eficientes e ocupam uma fração do espaço. Isso pode reduzir efeitos ambientais e facilitar a expansão das redes elétricas. Outra vantagem industrial é a transmissão de grandes potências em tensões mais baixas. O aumento da eficiência dos sistemas de refrigeração e o emprego de refrigerantes baratos, como o nitrogênio líquido, também reduziram os custos de resfriamento necessários para a supercondutividade.

Até 2022, cinco Prêmios Nobel de Física haviam sido concedidos por trabalhos ligados à supercondutividade:

• Heike Kamerlingh Onnes, em 1913, "por suas investigações sobre as propriedades da matéria a baixas temperaturas que levaram, entre outras coisas, à produção de hélio líquido".
• John Bardeen, Leon Neil Cooper e John Robert Schrieffer, em 1972, "por sua teoria da supercondutividade desenvolvida em conjunto, geralmente chamada de teoria BCS".
• Leo Esaki, Ivar Giaever e Brian Josephson, em 1973, respectivamente "por suas descobertas experimentais sobre fenômenos de tunelamento em semicondutores e supercondutores" e "por suas previsões teóricas das propriedades de uma supercorrente através de uma barreira de tunelamento, em particular os fenômenos geralmente conhecidos como efeitos Josephson".
• Georg Bednorz e K. Alex Müller, em 1987, "por seu avanço na descoberta da supercondutividade em materiais cerâmicos".
• Alexei Alexeevich Abrikosov, Vitaly Ginzburg e Anthony James Leggett, em 2003, "por contribuições pioneiras à teoria dos supercondutores e superfluidos".

• Costa, Marconi B. S.; Pavão, Antonio C. (junho de 2012). «Supercondutividade: um século de desafios e superação». Revista Brasileira de Ensino de Física. 34 (2): 2602-1–2602-15. doi:10.1590/S1806-11172012000200017
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