¿En qué consisten los superconductores?
1992/05/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
Descubrimiento del fenómeno
La superconductividad es un fenómeno descubierto en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes. Al enfriar una muestra de mercurio hasta los 4 grados Kelvin (-273,16ºC es la temperatura de 0 K) se dio cuenta de que la resistencia eléctrica del material desapareció bruscamente. Dicho de otro modo, el mercurio es como cualquier otro conductor eléctrico convencional a temperaturas superiores a 4 K, pero cuando baja por debajo de la “temperatura crítica” de 4 K, no pone ningún obstáculo al paso de la corriente eléctrica, se dice que es un superrconductor.
El mismo fenómeno se produjo con otros metales. Por ejemplo, el plomo tiene una temperatura crítica de 7,2 K, el estaño de 3,7 K, el niobio de 9,2, etc. Desde la década de 1950, las aleaciones metálicas también han alcanzado la superconductividad: Por ejemplo en aleación Nb3Sn (18 K) y aleación Nb 3 Ge (23 K).
Sin embargo, hay que tener en cuenta que a bajas temperaturas no todos los materiales son superconductores. Por ejemplo, el cobre, por ser un buen conductor a temperatura ambiente, aunque a temperaturas muy bajas no es un superconductor y lo mismo ocurre con casi todos los aislantes y semiconductores.
Superconductividad en los últimos tiempos
Tras descubrir el fenómeno a principios de siglo, los físicos expusieron toda su primera teoría en 1957. La primera aplicación se alcanzó en la década de 1960, en imanes de superconductor que producían campos magnéticos de alta intensidad (actualmente son utilizados en muchos aparatos de tecnología avanzada, máquinas de resonancia magnética, aceleradores de partículas, etc.).
En 1986 se abandonó la necesidad de alcanzar temperaturas muy bajas. A pesar de que hasta entonces la temperatura crítica más alta era de 23K, la subida del límite hasta los 125K ha cambiado mucho. Por ello, a partir de 1986 en los laboratorios este tipo de fiebre de investigación ha ocupado a personas que trabajan en superconductividad, sistema de acumulación de electricidad, tren de levitación magnética, ordenador de superconductores, etc. por conseguir. Más de 18.000 científicos han publicado en los últimos seis años en esta materia.
Teoría de la superconductividad
En 1957 los norteamericanos John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer publicaron una teoría sobre todo el fenómeno, denominada “BCS”.
Para mostrar el contenido de la teoría y comprender lo que le pasa al superrconductor, para que digamos algo del entorno. Al igual que cualquier otra materia, el sólido está formado por átomos y el átomo tiene núcleo girando alrededor de los electrones.
El núcleo de un átomo de cobre, por ejemplo, tiene 29 protones (o carga eléctrica positiva) y además 34 o 36 neutrones, dependiendo del tipo de isótopo. En un átomo de cobre aislado, 29 electrones (o carga eléctrica negativa) están girando alrededor del núcleo en capas. El átomo en general es eléctricamente neutro en sí mismo, ya que tiene tantos protones como electrones.
Sin embargo, en una muestra de cobre común, los átomos tienen peculiaridades. Por un lado están alineados regularmente entre sí formando una red cristalina, y por otro lado cada átomo está ionizado, es decir, uno de sus electrones está deslocalizado en la red. Además, estos electrones que están sueltos pueden circular libremente dentro de un tubo como los fluidos. Por ello, si este material se conecta a los bornes de la pila o alternador, este conjunto de electrones comienza a funcionar formando corriente eléctrica.
Sin embargo, si se observa con precisión el paso de electrones en el conductor común, se observa que cada electrón tiene un comportamiento individual. Durante su recorrido choca y frota con los iones de la red cristalina. De este modo pierde parte de su energía y emite calor. A escala macroscópica se dice que el material contrapone la resistencia al paso de la corriente.
En el superconductor esta resistencia desaparece debido a que los electrones pierden su comportamiento individual. Cada uno atrae a los iones positivos de la red cuando se desplaza y éstos a su vez atraen a otro electrón. Este enlace entre los dos electrones genera pares de electrones que no pueden romperse a temperaturas muy bajas. Los dos electrones de la pareja van a la vez, si bien la distancia entre ambos es relativamente grande (miles de angström; angströma = 10 -10 m). En un lugar de material superconductor, además, hay millones de pares de electrones.
El resultado es sorprendente. En el superconductor la corriente eléctrica no está formada por electrones, sino por pares de electrones. Esta es la diferencia fundamental, ya que los comportamientos cuánticos de estos objetos son distintos. Las parejas pueden agruparse en una misma situación de grupo formando una especie de fluido superconductor en el que no hay choques ni obstáculos para los electrones individuales.
Bardeen, Cooper y Schrieffer han dado esta sencilla imagen en dos etapas en el lenguaje matemático de la física de sólidos. En una primera etapa, en interacción con la red cristalina, se formarían pares de electrones y en la segunda se condensarían al mismo estado de grupo.
Evolución de la temperatura crítica
Un gran obstáculo para los superrconductores es la necesidad de estar a temperaturas muy frías para poder funcionar. Hasta 1986 se necesitaban temperaturas de hasta 23K (-250ºC) para detectar el fenómeno de la
superconductividad, lo que obligaba a utilizar costosos sistemas de refrigeración de helio líquido.
En los años 1986 y 1987, los investigadores Alex Muller y Georg Bednorz han detectado la superconductividad a temperaturas críticas mucho más altas en los laboratorios de IBM en Zurich. 90 K y 125 K subió la marca de temperatura crítica con unos óxidos de cobre. Gracias a ello, hoy en día se puede trabajar dentro de una tecnología de nitrógeno líquido más económica, pero también ha tenido otros efectos. Y es que los investigadores están volando locos para conseguir una superconductividad a temperatura ambiente. ¿Cuál es la situación actual?
Para responder a esta pregunta es necesario aclarar cuatro puntos. Primero hay que aclarar cómo se obtienen los materiales superconductores; segundo, qué sabemos de su estructura; tercero, cómo se explica la superconductividad a alta temperatura y finalmente, en qué consisten las aplicaciones.
Obtención de materiales
Los materiales superconductivos se pueden obtener con bastante facilidad mediante síntesis. Para obtener YB 2 Cu 3 O 7 (óxido de bario, itrio y cobre), por ejemplo, los componentes deben dosificarse en la proporción indicada en la fórmula. Los materiales se molen y el polvo se calienta hasta unos 1000 ºC. Se obtienen pequeños granos de cristal que se asan en caliente y quedan pegados entre sí.
Sin embargo, en el procedimiento de obtención de estos materiales intervienen muchos factores y ha sido posible que el compuesto de la misma fórmula (Tl 2 Ba 2 CuO 6) no sea superconductor para unos y tenga una temperatura crítica de 90 K para otros. Posteriormente se pudo observar que las condiciones de síntesis son de vital importancia en las características de los compuestos.
Estructura estratificada
Los compuestos encontrados a partir de 1986 presentan una estructura estratigráfica con numerosos defectos. Considérese el ejemplo del compuesto YB 2 Cu 3 O 7 antes mencionado. La clave de esta estructura es la capa formada por dos planos de CuO 2, en los que cada átomo de cobre está combinado con dos átomos de oxígeno mediante enlaces químicos. Estos dos planos de CuO 2 están separados por átomos de itrio. El conjunto, por su parte, constituye la capa que constituye la sede de la superconductividad. Entre dos capas superconductivas está intercalada una capa normal con cadenas de CuO x (entre x 0 y 1), átomos de bario y de oxígeno. En el conjunto, por tanto, las capas superrconductoras y convencionales están intercaladas.
El papel de las capas comunes todavía no está decidido. Algunos consideran que es un depósito de carga para el suministro de capas superconductores. Otros creen, sin embargo, que por su cercanía, esta capa también se convierte en superrconductor. Sin embargo, el problema no está aún resuelto.
Por otra parte, los errores en estos compuestos son muy discutibles. Pueden tratarse de errores puntuales (por ejemplo, que un átomo de hidrógeno sea insuficiente o excesivo en un punto concreto de la red), pero también pueden ser extendidos (un error en la rotación de capas o un conjunto de átomos no distribuidos homogéneamente). Se ha comprobado que el papel de la escasez de oxígeno es muy importante, ya que la ausencia de uno u otro átomo refuerza la superconductividad. No está claro en qué medida influyen las capas y los defectos estructurales en el fenómeno.
Mecanismo de superconductividad
Cuando se les pregunta sobre este tema, los físicos primero hacen referencia al desorden. Luego se habla de abundancia para explicar la superconductividad a alta temperatura. En realidad, los físicos desconocen el mecanismo de la superconductividad a alta temperatura crítica. Y es que han inventado muchos modelos para expresar el fenómeno.
En los ensayos realizados desde 1987 se han detectado fenómenos extraños en pares de electrones portadores de corriente eléctrica, como pequeñas distancias entre los electrones del par (decenas de angström, mientras que en el modelo clásico BCS son cien mil veces mayores). J.V. Gracias a los ensayos realizados por Uemura en la universidad de Columbia (Nueva York), se ha podido medir la “profundidad del campo magnético”, es decir, hasta qué punto el campo magnético ha entrado en una muestra de superreroal. Se ha medido en familias de superrconductores de alta temperatura crítica, pero también en otros materiales exóticos (superrconductores orgánicos, compuestos de uranio, etc.) encontrados en los últimos veinte años.
Uemura ha podido comprobar que los superrconductores exóticos hus a alta temperatura crítica tienen la característica de que su temperatura crítica es inversamente proporcional al cuadrado de la profundidad del campo magnético. Esto sugiere a los físicos la existencia de un mecanismo de emparejamiento de electrones, en el que la red cristalina se deformaría y por tanto los electrones del par estarían muy cerca. Confirmando esta interpretación, las familias de superrconductores se unirían y sería posible alcanzar temperaturas críticas más altas.
Aplicaciones de superconductores
Para comprender la influencia de la superconductividad debemos pensar en un mundo sin resistencias eléctricas. La primera aplicación que se crea es una corriente eléctrica sin resistencia. No se perdería calor en el hilo superconductor. En teoría, el movimiento sin fin sería posible y la corriente del superreroal puede mantenerse durante años sin perder energía. Por lo tanto, habría acumulación de electricidad.
Otro campo de uso es el de los electroimanes. Las bobinas de superconductor permitirían circular intensas intensidades de corriente generando enormes campos magnéticos. Actualmente existen limitaciones a la generación de calor en los electroimanes en los conductores convencionales.
Barreras a las aplicaciones
Sin embargo, la superconductividad encuentra sus obstáculos en aplicaciones prácticas. La temperatura crítica no es el único límite. En 1911 el propio Kamerlingh Ones fabricó una bobina de plomo para crear grandes campos magnéticos y la enfrió con helio líquido hasta 4K. El plomo tiene una temperatura crítica de 7,2 K, pero Ones comprobó que si el campo magnético era superior a 0,05 teslas, el plomo se convertía en un conductor normal. La superconductividad se debe a que en los materiales aparece cuando la temperatura, el campo magnético y la corriente eléctrica (tres parámetros por lo tanto a vigilar) son inferiores a una determinada medida. Cada material superconductor tiene sus temperaturas, campos magnéticos y corrientes críticas y su cumplimiento limita mucho las aplicaciones.
Los últimos superrconductores encontrados son cerámicos, es decir, formados por un cristal llamado “junta”. Esta estructura significa que la corriente debe pasar entre los granos y no pueden tener mucha intensidad. En los superrconductores de YBaCuO, la densidad de corriente en el año 1987 era sólo de cientos de amperios de 2 cm. A partir de este momento se ha tratado de mejorar las juntas intergranulares respecto a la superconductividad alcanzando densidades de 40.000 A/cm 2, sin campos magnéticos.
Los superrconductores de bismuto parecen tener un futuro mejor. El material Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 8, por ejemplo, tiene una temperatura crítica de 110 K. La firma japonesa Sumitomo Electric ha alcanzado densidades de 4 K de 10 5 A/cm 2, pero en campo magnético de 25 teslas.
Sin embargo, el pasado año el instituto japonés de investigación ISTEC ha batido un nuevo récord. Utilizando 250 pastillas de YBaCuO, los campos magnéticos creados por los superrconductores han conseguido levantar un centímetro de la tierra con el presidente de una plataforma. El centro de investigación CRTBT ubicado en Grenoble (Francia) ha alcanzado densidades de 8.000 A/cm 2 a 77K y zona de 6 teslas.
Con estas características se pueden preparar detectores y captadores. Los SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) pueden medir campos magnéticos muy pequeños. El año pasado, por ejemplo, los californianos de Berkeley presentaron un SQUID que medía el campo magnético creado por el corazón humano.
Sin embargo, el futuro de los superrconductores todavía no está del todo claro, pero hay aplicaciones como la levitación magnética que nos sorprenderán.
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