Levitação quântica: o que é e como funciona?

Desde séculos remotos, uma das ideias mais fantásticas oriundas da imaginação humana é a de levitar acima do solo. Embora ainda não tenhamos skates voadores viajando por aí como nos enredos de ficção científica, a humanidade já descobriu um fenômeno real e (quase) tão bom: a levitação quântica!

No dia-a-dia, se você aplicar uma tensão a qualquer sistema de partículas carregadas isso fará com que elas se movam em um fluxo ordenado, criando uma corrente elétrica sobre o material. Contudo, nestes casos, a resistência intrínseca do material (geralmente metálico) pelo qual a corrente está passando restringirá e dificultará esse movimento.

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No entanto, sob certas condições de baixa temperatura em certos materiais específicos, a resistência pode cair para muito perto de zero, criando um meio “sem perdas” por onde a eletricidade flui. Esse meio é chamado de supercondutor.

Supercondutor em levitação quântica.Fonte:  MiniPhysics 

Se aproveitarmos as propriedades de certos materiais supercondutores que contenham impurezas, estes materiais podem ser colocados sobre ímãs devidamente configurados e, como consequência, levitarão ali indefinidamente.

A chave para a levitação quântica está no efeito Meissner, descoberto pelo físico alemão Walther Meissner em 1933, e ocorre quando um material entra em seu estado de supercondutividade abaixo de um determinado valor crítico de temperatura.

Esse efeito faz com que o supercondutor expulse completamente os campos magnéticos de seu interior, forçando o campo a contornar a superfície do material. Quando um ímã é colocado perto de um supercondutor, o campo magnético do ímã não consegue penetrar o material, resultando na levitação.

No entanto, em certos tipos de supercondutores, especialmente os chamados supercondutores tipo II (formados por ligas metálicas e outros compostos), o campo magnético não é completamente expulso. Em vez disso, ele forma vórtices magnéticos que penetram o supercondutor em áreas específicas.

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O supercondutor fica, então, “travado” no campo magnético, criando uma estabilidade notável. Esse é o fenômeno travamento quântico (quantum locking), que permite que o objeto levite em uma posição fixa e permaneça estável, independentemente de ser movido para cima, para baixo ou para os lados.

Representação das linhas de campo magnético durante o efeito Meissner.Fonte:  Secrets of the Universe 

Se construíssemos uma trilha magnética para um supercondutor desta natureza e o colocássemos em movimento, ele permaneceria em movimento por tempo indefinido. Se fizéssemos isto numa câmara de vácuo, removendo toda a resistência do ar, teríamos, então, um dispositivo que poderia continuar em um movimento eterno, sem perda significativa de energia.

Esta seria a realização de um sonho antigo dos cientistas: a criação de uma máquina de movimento perpétuo.

O fenômeno da levitação quântica tem o potencial de transformar profundamente a tecnologia moderna, principalmente no setor de transporte, em que teria uma das aplicações mais promissoras.

Pequena trilha magnética sob um supercondutor em levitação quântica.Fonte:  Quantum Levitation 

Estas se dariam por trens que flutuam sobre trilhos magnéticos, sem atrito, capazes de alcançar velocidades altíssimas com eficiência energética muito maior do que os métodos de transporte atuais. Essa tecnologia já existe em forma experimental, como os trens de levitação magnética (maglev), que utilizam princípios semelhantes, embora sem uso de supercondutores.

Além disso, a levitação quântica pode ter diversas aplicações na construção de motores sem atrito, em armazenamento de energia e até mesmo na computação quântica, uma vez que a supercondutividade, ao permitir a condução perfeita de eletricidade, poderia revolucionar a transmissão de dados e informações.

MagLev: trem de levitação magnética.Fonte:  Getty Images 

Embora a levitação quântica seja um fenômeno impressionante, ela ainda enfrenta alguns desafios práticos, sendo o maior deles a necessidade de temperaturas extremamente baixas para que a supercondutividade ocorra. Manter materiais a temperaturas próximas ao zero absoluto exige equipamentos de refrigeração avançados e caros, o que limita sua aplicação em larga escala.

No entanto, com o avanço constante da ciência dos materiais, pesquisadores estão continuamente em busca de supercondutores que funcionem em temperaturas mais altas, o que poderia tornar a levitação quântica mais viável em aplicações cotidianas em um futuro próximo.