En que consisten os superconductores?
1992/05/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
Descubrimento do fenómeno
A superconductividad é un fenómeno descuberto en 1911 polo físico holandés Heike Kamerlingh Onnes. Ao arrefriar una mostra de mercurio até os 4 graos Kelvin (-273,16ºC é a temperatura de 0 K) deuse conta de que a resistencia eléctrica do material desapareceu bruscamente. Dito doutro xeito, o mercurio é como calquera outro condutor eléctrico convencional a temperaturas superiores a 4 K, pero cando baixa por baixo da “temperatura crítica” de 4 K, non pon ningún obstáculo ao paso da corrente eléctrica, dise que é un superrconductor.
O mesmo fenómeno produciuse con outros metais. Por exemplo, o chumbo ten una temperatura crítica de 7,2 K, o estaño de 3,7 K, o niobio de 9,2, etc. Desde a década de 1950, as aliaxes metálicas tamén alcanzaron a superconductividad: Por exemplo en aliaxe Nb3Sn (18 K) e aliaxe Nb 3 Ge (23 K).
Con todo, hai que ter en conta que a baixas temperaturas non todos os materiais son superconductores. Por exemplo, o cobre, por ser un bo condutor a temperatura ambiente, aínda que a temperaturas moi baixas non é un superconductor e o mesmo ocorre con case todos os illantes e semiconductores.
Superconductividad nos últimos tempos
Tras descubrir o fenómeno a principios de século, os físicos expuxeron toda a súa primeira teoría en 1957. A primeira aplicación alcanzouse na década de 1960, en imáns de superconductor que producían campos magnéticos de alta intensidade (actualmente son utilizados en moitos aparellos de tecnoloxía avanzada, máquinas de resonancia magnética, aceleradores de partículas, etc.).
En 1986 abandonouse a necesidade de alcanzar temperaturas moi baixas. A pesar de que até entón a temperatura crítica máis alta era de 23K, a subida do límite até os 125K cambiou moito. Por iso, a partir de 1986 nos laboratorios este tipo de febre de investigación ocupou a persoas que traballan en superconductividad, sistema de acumulación de electricidade, tren de levitación magnética, computador de superconductores, etc. por conseguir. Máis de 18.000 científicos publicaron nos últimos seis anos nesta materia.
Teoría da superconductividad
En 1957 os norteamericanos John Bardeen, Leon Cooper e John Schrieffer publicaron una teoría sobre todo o fenómeno, denominada “BCS”.
Paira mostrar o contido da teoría e comprender o que lle pasa ao superrconductor, para que digamos algo da contorna. Do mesmo xeito que calquera outra materia, o sólido está formado por átomos e o átomo ten núcleo virando ao redor dos electróns.
O núcleo dun átomo de cobre, por exemplo, ten 29 protones (ou carga eléctrica positiva) e ademais 34 ou 36 neutróns, dependendo do tipo de isótopo. Nun átomo de cobre illado, 29 electróns (ou carga eléctrica negativa) están a virar ao redor do núcleo en capas. O átomo en xeral é eléctricamente neutro en si mesmo, xa que ten tantos protones como electróns.
Con todo, nunha mostra de cobre común, os átomos teñen peculiaridades. Por unha banda están aliñados regularmente entre si formando una rede cristalina, e doutra banda cada átomo está ionizado, é dicir, uno dos seus electróns está deslocalizado na rede. Ademais, estes electróns que están soltos poden circular libremente dentro dun tubo como os fluídos. Por iso, se este material conéctase aos bornes da pila ou alternador, este conxunto de electróns comeza a funcionar formando corrente eléctrica.
Con todo, se se observa con precisión o paso de electróns no condutor común, obsérvase que cada electrón ten un comportamento individual. Durante o seu percorrido choca e frega cos iones da rede cristalina. Deste xeito perde parte da súa enerxía e emite calor. A escala macroscópica dise que o material contrapón a resistencia ao paso da corrente.
No superconductor esta resistencia desaparece debido a que os electróns perden o seu comportamento individual. Cada un atrae aos iones positivos da rede cando se despraza e estes á súa vez atraen a outro electrón. Este enlace entre os dous electróns xera pares de electróns que non poden romper a temperaturas moi baixas. Os dous electróns da parella van á vez, aínda que a distancia entre ambos é relativamente grande (miles de angström; angströma = 10 -10 m). Nun lugar de material superconductor, ademais, hai millóns de pares de electróns.
O resultado é sorprendente. No superconductor a corrente eléctrica non está formada por electróns, senón por pares de electróns. Esta é a diferenza fundamental, xa que os comportamentos cuánticos destes obxectos son distintos. As parellas poden agruparse nunha mesma situación de grupo formando una especie de fluído superconductor no que non hai choques nin obstáculos paira os electróns individuais.
Bardeen, Cooper e Schrieffer deron esta sinxela imaxe en dúas etapas na linguaxe matemática da física de sólidos. Nunha primeira etapa, en interacción coa rede cristalina, formaríanse pares de electróns e na segunda se condensarían ao mesmo estado de grupo.
Evolución da temperatura crítica
Un gran obstáculo paira os superrconductores é a necesidade de estar a temperaturas moi frías paira poder funcionar. Até 1986 necesitábanse temperaturas de até 23K (-250ºC) paira detectar o fenómeno da
superconductividad, o que obrigaba a utilizar custosos sistemas de refrixeración de helio líquido.
Nos anos 1986 e 1987, os investigadores Alex Muller e Georg Bednorz detectaron a superconductividad a temperaturas críticas moito máis altas nos laboratorios de IBM en Zúric. 90 K e 125 K subiu a marca de temperatura crítica cuns óxidos de cobre. Grazas a iso, hoxe en día pódese traballar dentro de una tecnoloxía de nitróxeno líquido máis económica, pero tamén tivo outros efectos. E é que os investigadores están a voar tolos paira conseguir una superconductividad a temperatura ambiente. Cal é a situación actual?
Paira responder a esta pregunta é necesario aclarar catro puntos. Primeiro hai que aclarar como se obteñen os materiais superconductores; segundo, que sabemos da súa estrutura; terceiro, como se explica a superconductividad a alta temperatura e finalmente, en que consisten as aplicacións.
Obtención de materiais
Os materiais superconductivos pódense obter con bastante facilidade mediante síntese. Paira obter YB 2 Cu 3 Ou 7 (óxido de bario, itrio e cobre), por exemplo, os compoñentes deben dosificarse na proporción indicada na fórmula. Os materiais mólense e o po quéntase até uns 1000 ºC. Obtéñense pequenos grans de cristal que se asan en quente e quedan pegados entre si.
Con todo, no procedemento de obtención destes materiais interveñen moitos factores e foi posible que o composto da mesma fórmula (Tl 2 Ba 2 CuO 6) non sexa superconductor paira uns e teña una temperatura crítica de 90 K paira outros. Posteriormente púidose observar que as condicións de sínteses son de vital importancia nas características dos compostos.
Estrutura estratificada
Os compostos atopados a partir de 1986 presentan una estrutura estratigráfica con numerosos defectos. Considérese o exemplo do composto YB 2 Cu 3 Ou 7 antes mencionado. A clave desta estrutura é a capa formada por dous planos de CuO 2, nos que cada átomo de cobre está combinado con dous átomos de osíxeno mediante enlaces químicos. Estes dous planos de CuO 2 están separados por átomos de itrio. O conxunto, pola súa banda, constitúe a capa que constitúe a sede da superconductividad. Entre dúas capas superconductivas está intercalada unha capa normal con cadeas de CuO x (entre x 0 e 1), átomos de bario e de osíxeno. No conxunto, por tanto, as capas superrconductoras e convencionais están intercaladas.
O papel das capas comúns aínda non está decidido. Algúns consideran que é un depósito de carga paira a subministración de capas superconductores. Outros creen, con todo, que pola súa proximidade, esta capa tamén se converte en superrconductor. Con todo, o problema non está aínda resolto.
Por outra banda, os erros nestes compostos son moi discutibles. Poden tratarse de erros puntuais (por exemplo, que un átomo de hidróxeno sexa insuficiente ou excesivo nun punto concreto da rede), pero tamén poden ser estendidos (un erro na rotación de capas ou un conxunto de átomos non distribuídos homogéneamente). Comprobouse que o papel da escaseza de osíxeno é moi importante, xa que a ausencia dun ou outro átomo reforza a superconductividad. Non está claro en que medida inflúen as capas e os defectos estruturais no fenómeno.
Mecanismo de superconductividad
Cando se lles pregunta sobre este tema, os físicos primeiro fan referencia á desorde. Logo fálase de abundancia paira explicar a superconductividad a alta temperatura. En realidade, os físicos descoñecen o mecanismo da superconductividad a alta temperatura crítica. E é que inventaron moitos modelos paira expresar o fenómeno.
Nos ensaios realizados desde 1987 detectáronse fenómenos estraños en pares de electróns portadores de corrente eléctrica, como pequenas distancias entre os electróns do par (decenas de angström, mentres que no modelo clásico BCS son cen mil veces maiores). J.V. Grazas aos ensaios realizados por Uemura na universidade de Columbia (Nova York), púidose medir a “profundidade do campo magnético”, é dicir, até que punto o campo magnético ha entrado nunha mostra de superreroal. Mediuse en familias de superrconductores de alta temperatura crítica, pero tamén noutros materiais exóticos (superrconductores orgánicos, compostos de uranio, etc.) atopados nos últimos vinte anos.
Uemura puido comprobar que os superrconductores exóticos hus a alta temperatura crítica teñen a característica de que a súa temperatura crítica é inversamente proporcional ao cadrado da profundidade do campo magnético. Isto suxire aos físicos a existencia dun mecanismo de emparellamento de electróns, no que a rede cristalina se deformaría e por tanto os electróns do par estarían moi preto. Confirmando esta interpretación, as familias de superrconductores uniríanse e sería posible alcanzar temperaturas críticas máis altas.
Aplicacións de superconductores
Paira comprender a influencia da superconductividad debemos pensar nun mundo sen resistencias eléctricas. A primeira aplicación que se crea é una corrente eléctrica sen resistencia. Non se perdería calor no fío superconductor. En teoría, o movemento sen fin sería posible e a corrente do superreroal pode manterse durante anos sen perder enerxía. Por tanto, habería acumulación de electricidade.
Outro campo de uso é o dos electroimanes. As bobinas de superconductor permitirían circular intensas intensidades de corrente xerando enormes campos magnéticos. Actualmente existen limitacións á xeración de calor nos electroimanes nos condutores convencionais.
Barreiras ás aplicacións
Con todo, a superconductividad atopa os seus obstáculos en aplicacións prácticas. A temperatura crítica non é o único límite. En 1911 o propio Kamerlingh Ones fabricou una bobina de chumbo paira crear grandes campos magnéticos e arrefriouna con helio líquido até 4K. O chumbo ten una temperatura crítica de 7,2 K, pero Ones comprobou que se o campo magnético era superior a 0,05 teslas, o chumbo convertíase nun condutor normal. A superconductividad débese a que nos materiais aparece cando a temperatura, o campo magnético e a corrente eléctrica (tres parámetros por tanto a vixiar) son inferiores a unha determinada medida. Cada material superconductor ten as súas temperaturas, campos magnéticos e correntes críticas e o seu cumprimento limita moito as aplicacións.
Os últimos superrconductores atopados son cerámicos, é dicir, formados por un cristal chamado “xunta”. Esta estrutura significa que a corrente debe pasar entre os grans e non poden ter moita intensidade. Nos superrconductores de YBaCuO, a densidade de corrente no ano 1987 era só de centos de amperios de 2 cm. A partir deste momento tratouse de mellorar as xuntas intergranulares respecto da superconductividad alcanzando densidades de 40.000 A/cm 2, sen campos magnéticos.
Os superrconductores de bismuto parecen ter un futuro mellor. O material Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 Ou 8, por exemplo, ten una temperatura crítica de 110 K. A firma xaponesa Sumitomo Electric alcanzou densidades de 4 K de 10 5 A/cm 2, pero en campo magnético de 25 teslas.
Con todo, o pasado ano o instituto xaponés de investigación ISTEC bateu unha nova marca. Utilizando 250 pastillas de YBaCuO, os campos magnéticos creados polos superrconductores conseguiron levantar un centímetro da terra co presidente dunha plataforma. O centro de investigación CRTBT situado en Grenoble (Francia) alcanzou densidades de 8.000 A/cm 2 a 77K e zona de 6 teslas.
Con estas características pódense preparar detectores e captadores. Os SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) poden medir campos magnéticos moi pequenos. O ano pasado, por exemplo, os californianos de Berkeley presentaron un SQUID que medía o campo magnético creado polo corazón humano.
Con todo, o futuro dos superrconductores aínda non está do todo claro, pero hai aplicacións como a levitación magnética que nos sorprenderán.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
