En què consisteixen els superconductors?
1992/05/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
Descobriment del fenomen
La superconductivitat és un fenomen descobert en 1911 pel físic holandès Heike Kamerlingh Onnes. En refredar una mostra de mercuri fins als 4 graus Kelvin (-273,16 °C és la temperatura de 0 K) es va adonar que la resistència elèctrica del material va desaparèixer bruscament. Dit d'una altra manera, el mercuri és com qualsevol altre conductor elèctric convencional a temperatures superiors a 4 K, però quan baixa per sota de la “temperatura crítica” de 4 K, no posa cap obstacle al pas del corrent elèctric, es diu que és un superrconductor.
El mateix fenomen es va produir amb altres metalls. Per exemple, el plom té una temperatura crítica de 7,2 K, l'estany de 3,7 K, el niobi de 9,2, etc. Des de la dècada de 1950, els aliatges metàl·lics també han aconseguit la superconductivitat: Per exemple en aliatge Nb3Sn (18 K) i aliatge Nb 3 Ge (23 K).
No obstant això, cal tenir en compte que a baixes temperatures no tots els materials són superconductors. Per exemple, el coure, per ser un bon conductor a temperatura ambient, encara que a temperatures molt baixes no és un superconductor i el mateix ocorre amb gairebé tots els aïllants i semiconductors.
Superconductivitat en els últims temps
Després de descobrir el fenomen a principis de segle, els físics van exposar tota la seva primera teoria en 1957. La primera aplicació es va aconseguir en la dècada de 1960, en imants de superconductor que produïen camps magnètics d'alta intensitat (actualment són utilitzats en molts aparells de tecnologia avançada, màquines de ressonància magnètica, acceleradors de partícules, etc.).
En 1986 es va abandonar la necessitat d'aconseguir temperatures molt baixes. A pesar que fins llavors la temperatura crítica més alta era de 23K, la pujada del límit fins als 125K ha canviat molt. Per això, a partir de 1986 en els laboratoris aquest tipus de febre de recerca ha ocupat a persones que treballen en superconductivitat, sistema d'acumulació d'electricitat, tren de levitació magnètica, ordinador de superconductors, etc. per aconseguir. Més de 18.000 científics han publicat en els últims sis anys en aquesta matèria.
Teoria de la superconductivitat
En 1957 els nord-americans John Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer van publicar una teoria sobretot el fenomen, denominada “BCS”.
Per a mostrar el contingut de la teoria i comprendre el que li passa al superrconductor, perquè diguem una mica de l'entorn. Igual que qualsevol altra matèria, el sòlid està format per àtoms i l'àtom té nucli girant al voltant dels electrons.
El nucli d'un àtom de coure, per exemple, té 29 protons (o càrrega elèctrica positiva) i a més 34 o 36 neutrons, depenent de la mena d'isòtop. En un àtom de coure aïllat, 29 electrons (o càrrega elèctrica negativa) estan girant al voltant del nucli en capes. L'àtom en general és elèctricament neutre en si mateix, ja que té tants protons com electrons.
No obstant això, en una mostra de coure comú, els àtoms tenen peculiaritats. D'una banda estan alineats regularment entre si formant una xarxa cristal·lina, i d'altra banda cada àtom està ionitzat, és a dir, un dels seus electrons està deslocalitzat en la xarxa. A més, aquests electrons que estan solts poden circular lliurement dins d'un tub com els fluids. Per això, si aquest material es connecta als borns de la pila o alternador, aquest conjunt d'electrons comença a funcionar formant corrent elèctrica.
No obstant això, si s'observa amb precisió el pas d'electrons en el conductor comú, s'observa que cada electró té un comportament individual. Durant el seu recorregut xoca i frega amb els ions de la xarxa cristal·lina. D'aquesta manera perd part de la seva energia i emet calor. A escala macroscòpica es diu que el material contraposa la resistència al pas del corrent.
En el superconductor aquesta resistència desapareix pel fet que els electrons perden el seu comportament individual. Cadascun atreu als ions positius de la xarxa quan es desplaça i aquests al seu torn atreuen a un altre electró. Aquest enllaç entre els dos electrons genera parells d'electrons que no poden trencar-se a temperatures molt baixes. Els dos electrons de la parella van alhora, si bé la distància entre tots dos és relativament gran (milers d'angström; angströma = 10 -10 m). En un lloc de material superconductor, a més, hi ha milions de parells d'electrons.
El resultat és sorprenent. En el superconductor el corrent elèctric no està formada per electrons, sinó per parells d'electrons. Aquesta és la diferència fonamental, ja que els comportaments quàntics d'aquests objectes són diferents. Les parelles poden agrupar-se en una mateixa situació de grup formant una espècie de fluid superconductor en el qual no hi ha xocs ni obstacles per als electrons individuals.
Bardeen, Cooper i Schrieffer han donat aquesta senzilla imatge en dues etapes en el llenguatge matemàtic de la física de sòlids. En una primera etapa, en interacció amb la xarxa cristal·lina, es formarien parells d'electrons i en la segona es condensarien al mateix estat de grup.
Evolució de la temperatura crítica
Un gran obstacle per als superrconductores és la necessitat d'estar a temperatures molt fredes per a poder funcionar. Fins a 1986 es necessitaven temperatures de fins a 23K (-250 °C) per a detectar el fenomen de la
superconductivitat, la qual cosa obligava a utilitzar costosos sistemes de refrigeració d'heli líquid.
En els anys 1986 i 1987, els investigadors Alex Muller i Georg Bednorz han detectat la superconductivitat a temperatures crítiques molt més altes en els laboratoris d'IBM en Zurich. 90 K i 125 K va pujar la marca de temperatura crítica amb uns òxids de coure. Gràcies a això, avui dia es pot treballar dins d'una tecnologia de nitrogen líquid més econòmica, però també ha tingut altres efectes. I és que els investigadors estan volant bojos per a aconseguir una superconductivitat a temperatura ambient. Quina és la situació actual?
Per a respondre a aquesta pregunta és necessari aclarir quatre punts. Primer cal aclarir com s'obtenen els materials superconductors; segon, què sabem de la seva estructura; tercer, com s'explica la superconductivitat a alta temperatura i finalment, en què consisteixen les aplicacions.
Obtenció de materials
Els materials superconductivos es poden obtenir amb bastant facilitat mitjançant síntesi. Per a obtenir YB 2 Cu 3 O 7 (òxid de bari, itri i coure), per exemple, els components han de dosar-se en la proporció indicada en la fórmula. Els materials es molen i la pols s'escalfa fins a uns 1000 °C. S'obtenen petits grans de cristall que es rosteixen en calent i queden pegats entre si.
No obstant això, en el procediment d'obtenció d'aquests materials intervenen molts factors i ha estat possible que el compost de la mateixa fórmula (Tl 2 Ba 2 CuO 6) no sigui superconductor per a uns i tingui una temperatura crítica de 90 K per a uns altres. Posteriorment es va poder observar que les condicions de síntesis són de vital importància en les característiques dels compostos.
Estructura estratificada
Els compostos oposats a partir de 1986 presenten una estructura estratigràfica amb nombrosos defectes. Consideri's l'exemple del compost YB 2 Cu 3 O 7 abans esmentat. La clau d'aquesta estructura és la capa formada per dos plans de CuO 2, en els quals cada àtom de coure està combinat amb dos àtoms d'oxigen mitjançant enllaços químics. Aquests dos plans de CuO 2 estan separats per àtoms d'itri. El conjunt, per part seva, constitueix la capa que constitueix la seu de la superconductivitat. Entre dues capes superconductivas està intercalada una capa normal amb cadenes de CuO x (entre x 0 i 1), àtoms de bari i d'oxigen. En el conjunt, per tant, les capes superrconductoras i convencionals estan intercalades.
El paper de les capes comunes encara no està decidit. Alguns consideren que és un dipòsit de càrrega per al subministrament de capes superconductors. Uns altres creuen, no obstant això, que per la seva proximitat, aquesta capa també es converteix en superrconductor. No obstant això, el problema no està encara resolt.
D'altra banda, els errors en aquests compostos són molt discutibles. Poden tractar-se d'errors puntuals (per exemple, que un àtom d'hidrogen sigui insuficient o excessiu en un punt concret de la xarxa), però també poden ser estesos (un error en la rotació de capes o un conjunt d'àtoms no distribuïts homogèniament). S'ha comprovat que el paper de l'escassetat d'oxigen és molt important, ja que l'absència de l'un o l'altre àtom reforça la superconductivitat. No és clar en quina mesura influeixen les capes i els defectes estructurals en el fenomen.
Mecanisme de superconductivitat
Quan se'ls pregunta sobre aquest tema, els físics primer fan referència al desordre. Després es parla d'abundància per a explicar la superconductivitat a alta temperatura. En realitat, els físics desconeixen el mecanisme de la superconductivitat a alta temperatura crítica. I és que han inventat molts models per a expressar el fenomen.
En els assajos realitzats des de 1987 s'han detectat fenòmens estranys en parells d'electrons portadors de corrent elèctric, com a petites distàncies entre els electrons del parell (desenes d'angström, mentre que en el model clàssic BCS són cent mil vegades majors). J.V. Gràcies als assajos realitzats per Uemura en la universitat de Columbia (Nova York), s'ha pogut mesurar la “profunditat del camp magnètic”, és a dir, fins a quin punt el camp magnètic ha entrat en una mostra de superreroal. S'ha mesurat en famílies de superrconductores d'alta temperatura crítica, però també en altres materials exòtics (superrconductores orgànics, composts d'urani, etc.) oposats en els últims vint anys.
Uemura ha pogut comprovar que els superrconductores exòtics hus a alta temperatura crítica tenen la característica que la seva temperatura crítica és inversament proporcional al quadrat de la profunditat del camp magnètic. Això suggereix als físics l'existència d'un mecanisme d'aparellament d'electrons, en el qual la xarxa cristal·lina es deformaria i per tant els electrons del parell estarien molt a prop. Confirmant aquesta interpretació, les famílies de superrconductores s'unirien i seria possible aconseguir temperatures crítiques més altes.
Aplicacions de superconductors
Per a comprendre la influència de la superconductivitat hem de pensar en un món sense resistències elèctriques. La primera aplicació que es crea és un corrent elèctric sense resistència. No es perdria calor en el fil superconductor. En teoria, el moviment sense fi seria possible i el corrent del superreroal pot mantenir-se durant anys sense perdre energia. Per tant, hi hauria acumulació d'electricitat.
Un altre camp d'ús és el dels electroimants. Les bobines de superconductor permetrien circular intenses intensitats de corrent generant enormes camps magnètics. Actualment existeixen limitacions a la generació de calor en els electroimants en els conductors convencionals.
Barreres a les aplicacions
No obstant això, la superconductivitat troba els seus obstacles en aplicacions pràctiques. La temperatura crítica no és l'únic límit. En 1911 el propi Kamerlingh Ones va fabricar una bobina de plom per a crear grans camps magnètics i la va refredar amb heli líquid fins a 4K. El plom té una temperatura crítica de 7,2 K, però Ones va comprovar que si el camp magnètic era superior a 0,05 tesles, el plom es convertia en un conductor normal. La superconductivitat es deu al fet que en els materials apareix quan la temperatura, el camp magnètic i el corrent elèctric (tres paràmetres per tant a vigilar) són inferiors a una determinada mesura. Cada material superconductor té les seves temperatures, camps magnètics i corrents crítics i el seu compliment limita molt les aplicacions.
Els últims superrconductores oposats són ceràmics, és a dir, formats per un cristall anomenat “junta”. Aquesta estructura significa que el corrent ha de passar entre els grans i no poden tenir molta intensitat. En els superrconductores de YBaCuO, la densitat de corrent l'any 1987 era només de centenars d'amperes de 2 cm. A partir d'aquest moment s'ha tractat de millorar les juntes intergranulars respecte a la superconductivitat aconseguint densitats de 40.000 A/cm 2, sense camps magnètics.
Els superrconductores de bismut semblen tenir un futur millor. El material Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 8, per exemple, té una temperatura crítica de 110 K. La signatura japonesa Sumitomo Electric ha aconseguit densitats de 4 K de 10 5 A/cm 2, però en camp magnètic de 25 tesles.
No obstant això, l'any passat l'institut japonès de recerca ISTEC ha batut un nou rècord. Utilitzant 250 pastilles de YBaCuO, els camps magnètics creats pels superrconductores han aconseguit aixecar un centímetre de la terra amb el president d'una plataforma. El centre de recerca CRTBT situat en Grenoble (França) ha aconseguit densitats de 8.000 A/cm 2 a 77K i zona de 6 tesles.
Amb aquestes característiques es poden preparar detectors i captadors. Els SQUID (Superconducting Quàntum Interference Device) poden mesurar camps magnètics molt petits. L'any passat, per exemple, els californians de Berkeley van presentar un SQUID que mesurava el camp magnètic creat pel cor humà.
No obstant això, el futur dels superrconductores encara no està del tot clar, però hi ha aplicacions com la levitació magnètica que ens sorprendran.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
