O íman estabelece o recorde mundial em 45.5 Teslas

É o campo magnético DC contínuo mais forte jamais registado e poderia ajudar os cientistas a estudar a fusão nuclear e os estados exóticos da matéria

Um novo electroíman multicomponente, parcialmente condutor – actualmente o íman DC mais forte do mundo de qualquer espécie – está prestes a revelar um caminho para ímanes substancialmente mais fortes ainda. A nova tecnologia de ímanes poderia ajudar os cientistas a estudar muitos outros fenómenos, incluindo a fusão nuclear, estados exóticos da matéria, moléculas de “mudança de forma”, e foguetes interplanetários, para citar alguns.

O Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético em Tallahassee, Flórida, é o lar de quatro tipos de ímanes avançados e ultra-fortes. Um suporta estudos de ressonância magnética. Outro está configurado para espectrometria de massa. E um tipo diferente produz os campos magnéticos mais fortes do mundo. (Os campus Sister MagLab da Universidade da Florida e do Laboratório Nacional de Los Alamos fornecem mais três ímanes de alta capacidade para outros campos de estudo)

É a última categoria no campus de Tallahassee – o íman mais forte do mundo – que a investigação mais recente está a tentar complementar. O chamado MagLab DC Field Facility, em funcionamento desde 1999, aproxima-se de um limite na resistência dos campos magnéticos que pode produzir com os seus actuais materiais e tecnologia.

O magneto DC do MagLab mantém um constante 45 Tesla de resistência do campo, que até muito recentemente era o campo magnético contínuo mais forte produzido no mundo. (Não confundir com a marca de automóveis eléctricos do mesmo nome, Tesla é também uma unidade de força de campo magnético. Quanto mais alta for a sua classificação Tesla, mais forte será o íman. Para comparação, uma máquina de IRM típica é construída em torno de um íman supercondutor com aproximadamente 3 Tesla de força de campo. O campo magnético da Terra, sentido à superfície do planeta, é de 0,00005 T.)

O novo íman de pesquisa borda o íman de campo DC do MagLab por um cabelo, mantendo um campo contínuo de 45,5 T. Mas não é a ligeira borda em força que oferece tal promessa, diz David Larbalestier, principal cientista de materiais do Laboratório de Campo Magnético.

“Isto é uma cabeça de praia no território dos 50 Tesla”, diz Larbalestier.

O novo íman, descrito numa carta recente à revista Nature, utiliza um material supercondutor de alta temperatura, refrigerado a temperaturas de hélio líquido que os supercondutores da velha guarda utilizam. O arrefecimento deste supercondutor particular abaixo da sua temperatura crítica (a temperatura abaixo da qual perde toda a resistividade eléctrica) aumenta de facto a sua capacidade de lidar com correntes mais elevadas. E correntes mais elevadas traduzem-se, evidentemente, em campos magnéticos mais elevados.

Supercondutores mais antigos como os tipos utilizados em ímanes de ressonância magnética não podem lidar com campos magnéticos que excedam 30 Tesla, diz Larbalestier. Os pares de electrões Cooper, chave para as propriedades quânticas supercondutoras do material, tornam-se demasiado instáveis, pelo que o supercondutor perde as suas propriedades de resistência zero, e torna-se como uma auto-estrada de oito pistas paralisada.

Anular um chamado “arrefecimento” catastrófico é essencial para operar um íman supercondutor durante longos períodos de tempo. (Os ímanes supercondutores do Grande Colisor de Hadrões sofreram este problema em 2008.)

“Estamos a utilizá-los em hélio líquido, porque a supercondutividade fica mais forte, quanto mais baixa for a temperatura”, diz Larbalestier. “E o que queremos evitar é a destruição da supercondutividade pelo campo magnético”

“A outra inovação que ajuda o íman a evitar ou reduzir o têmpera é a sua falta de isolamento. Larbalestier diz que um electroíman típico teria isolamento eléctrico entre camadas de fita supercondutora.

Mas o seu grupo descobriu que a fita não isolada colocada camada sobre camada como múltiplas ligaduras de Ás enroladas à volta do tornozelo de um atleta – comporta-se um pouco como um supercondutor espesso de camada única.

Então um obstáculo ou impureza na malha supercondutora pode, num pedaço de fita adesiva de camada única feita de óxido de cobre de bário de terras raras (REBCO), ter impedido os pares Cooper e aquecido aquela secção do supercondutor acima da temperatura de transição. E isso é um arrefecimento – o que significa o fim do jogo para o campo forte do íman.

Anular o isolamento permite aos pares de Cooper redireccionar em torno de uma impureza na malha, evitando o arrefecimento.

A equipa de investigação melhorou constantemente a capacidade do íman para lidar com campos mais fortes. (Também impulsionaram o campo ao colocar o íman supercondutor dentro de um íman maior de cobre e prata)

“Ainda estamos interessados em empurrar as frentes dianteiras”, diz Larbalestier. “Assim, o interior do novo íman de utilizador de 32 T é feito com esta fita REBCO. E vimos a oportunidade de obter novas variantes da fita… que eram muito finas – e um novo método de construção de um íman supercondutor sem isolamento, inventado pelo autor principal no nosso trabalho, Seungyong Hahn”

O grupo pensa que pode iterar a sua tecnologia pelo menos até aos anos 50 de Teslas de força de campo. Mas Larbalestier não vê qualquer razão clara para que tenham de parar por aí.

“O verdadeiro significado aqui é, é uma validação destes supercondutores de óxido de cobre de bário de terras raras para utilização em campo a temperaturas muito elevadas”, diz ele. “E penso que diz claramente que o caminho para 60 Tesla… está, em princípio, agora aberto”.

Este post foi actualizado em 18 de Junho de 2019.