Superconductividad para supertorpes


Written on July 20, 2008 – 10:52 pm | by Roman

Pocos fenómenos en la física de materiales me fascinan tanto como la superconductividad. Es por ello que he decidido dedicarle su propio post en este blog. De nuevo, y siguiendo la linea establecida en algunos post anteriores, intentaré explicaros los fundamentos de este fenómeno de la naturaleza de manera sencilla en la medida que buenamente pueda. Afortunadamente esta vez el tema no es tan abstracto como intentar explicar los axiomas de la mecánica cuántica (recordad mi post de ¨física cuántica para torpes¨) pero, pese a todo y como vereis, el tema también trae bastante tela.

¿Qué es la superconductividad?

La superconductividad es la propiedad que presentan algunos materiales que, enfriados por debajo de determinada temperatura crítica, son capaces de conducir corrientes electricas sin resistencia alguna.

Para que os hagais una idea de lo que esto representa, podeis pensar que la corriente electrica en un material conductor es debida a un conjunto de particulitas cargadas llamadas electrones que fluyen a traves de un material, del mismo modo que el agua fluye por una tuberia. Dado que los materiales nunca son perfectos (las redes cristalinas presentan impurezas, dislocaciones…), a este flujo de particulas cargadas van siempre asociadas unas pérdidas. En términos llanos, algunos de los electrones dejan de fluir y se “recombinan” con los átomos que forman el material, de modo que la energía que llevaban (debida al movimiento) se disipa en forma de calor. Es por eso que un material conductor convencional se calienta cuando circula una corriente por él. Y dicho sea de paso, es por eso tambien que mi estufa da calor en invierno. Por otra parte, ya sabreis que otros materiales son capaces de no conducir carga electrica, o de conducir extremadamente poca: estos son los llamados aislantes, como la madera, el corcho, el vidrio o el plastico. Asi, todos los cables electricos que tenemos en casa consisten en conductores como el cobre, recubiertos de materiales aislantes como el plástico. En las conciones en las que vivimos, a presion atmosférica, temperatura entre 0ºC y 40ºC, y intensidades de corriente no muy elevadas, esto forma la base de toda la ciruiteria eléctrica de nuestras casas.

Sin embargo, existen determinados materiales que, si se enfrian lo suficiente, son capaces de conducir cargas eléctricas sin resistencia ni disipación de energia alguna, pese a tener impurezas y defectos. Estos son los superconductores, que aparecen a temperaturas tan bajas como los -269ºC (solo 4ºC por encima del cero absoluto de temperaturas). Así mismo, los materiales que presentan superconductividad pueden ser a temperatura ambiente conductores en el sentido usual como el cobre,  o bien ser aislantes como determinados tipos de ceramicas.

¿Qué características tiene un superconductor?

Los materiales que son superconductores se caracterizan porque el cambio al “estado superconductor” al reducir la temperatura no es suave, sino muy brusco. Más específicamente, a ese cambio brusco se le denomina “transición de fase superconductora”, y en ella todos los constituyentes del sistema cambian de golpe su comportamiento (si os interesa el tema de las transiciones de fase podeis leer mi post anterior, que trata exactamente de ese tema).

Los superconductores poseen dos propiedades muy distintivas, que son las siguientes:

(i)

Tal y como mencioné antes, la corriente eléctrica circula por ellos sin disipación ni resistencia alguna. Es decir, que si lográsemos introducir una corrriente en un hilo superconductor, y tras eso uniéramos los extremos y le diésemos forma de anillo, la corriente estaría dando vueltas por el anillo superconductor indefinidamente durante toda la vida, ya que no habría mecanismo de disipación alguno.

(ii)

La segunda propiedad es un poquito mas compleja, pero no por ello menos importante. Se denomina efecto Meissner, y consiste en que que los campos magneticos no penetran en un superconductor. Para que nos entendamos: si acerco un imán (como los que estan enganchados a la puerta de mi nevera) a un superconductor, la interacción magnetica que crea el imán no penetra en el interior del superconductor. El interior esta, pues, perfectamente apantallado de campos magnéticos. Es decir, que si fuese capaz de poner una brújula en el interior del superconductor, la aguja de la brújula jamás detectaría un campo magnetico que se encuentre en el exterior.

Para que os hagais una idea de los que quiero decir con lo del efecto Meissner, os pongo a continuación un link a un video en el que se muestra una consecuencia sorprendente de éste: el fenómeno de la levitación magnética. En él vereis un material de color negro que se enfria con nitrógeno líquido (el humo es nitrógeno que se evapora) para que se vuelva superconductor. Sobre él, se deposita un imán de aspecto metálico y brillante. El campo magnético que genera el imán no penetra en el superconductor y, por lo tanto, ejerce una fuerza de empuje hacia arriba que compensa a la fuerza de la gravedad (que hace que las cosas caigan). El resultado es que el imán literalmente “levita” sobre el superconductor, y “flota” immerso en el campo magnetico que el superconductor repele. Al final, el superconductor se calienta por encima de la temperatura crítica y vuelve a ser un material “normal”, por lo que el imán deja de levitar. Ahí va el video:

Alucinante, ¿eh? Este es el típico experimento que hacen en las facultades de física cuando quieren captar más alumnos…

¿Cómo se descubrió la superconductividad?

Como muchos otros fenómenos, la superconductividad se descubrió por casualidad. En 1911, el físico holandés Heike Kamerling Onnes se dió cuenta de que la resistencia eléctrica del mercurio se anulaba súbitamente al reducir la temperatura a -269ºC, cuando el comportamiento esperado era que la resistencia se redujera gradualmente. En los primeros años tras el descubrimiento, el fenómeno en cuestión se conocía como “supraconductividad”.

Por tratarse de un fenómeno cuya causa radica en efectos de mecánica cuántica, la superconductividad fue, en sus inicios, un fenómeno puramente fenomenológico. En particular,  1933 se descubrió el efecto Meissner y dos años mas tarde se desarrolló su primera explicación por parte de los hermanos Fritz y Heinz London (con la denominada “ecuación de London”). En términos  generales, fué durante la década de los 50 (cuando ya estaba más desarrollada la física cuántica) cuando se concebió la primera explicación teórica de la superconductividad.

¿Qué tipos de superconductores hay?

La clasificación detallada de todos los tipos de superconductores que existen es bastante complicada. Sin embargo, a grandes rasgos los superconductores se agrupan en dos  familias: los denominados superconductores de baja y de alta temperatura.

Los superconductores de baja temperatura fueron los primeros en ser descubiertos, y se caracterizan por tener una temperatura crítica muy baja (por debajo de -196ºC, que es la temperatura de licuación del nitrógeno). Por ejemplo, el mercurio o el aluminio son superconductores de este tipo.

Los de alta temperatura fueron descubiertos en 1986 por Bednorz y Müller, quienes observaron que ciertos materiales cerámicos formados por óxidos de cobre con estructura de perovskita eran superconductores con temperaturas criticas superiores a los -183ºC.

¿Por qué sucede la superconductividad?

Esa, es una muy buena pregunta.

La superconductividad de baja temperatura se puede explicar mediante la denominada teoria BCS, llamada asi por sus creadores Bardeen, Cooper y Schrieffer quienes  recibieron el premio Nobel de física en 1972 por esta aportación. Una de las características principales de esta teoría radica en que los electrones, que son los portadores de la carga eléctrica, se aparean formando los denominados pares de Cooper. Estas parejas de electrones son las auténticas portadoras de carga eléctrica en el sistema. Para ser un poquito mas específico, os dire que el proceso de apareamiento de los electrones se produce gracias a interacciones entre ellos que son mediadas por la red cristalina de átomos en el material. Es algo asi como una interacción entre dos mosquitos atrapados en puntos diferentes de una tela de araña: si uno de ellos se mueve, la tela de araña transmite el movimiento y el otro mosquito lo percibe. Volviendo a los electrones, el hecho de romper estos pares de electrones ligados tiene un coste energético demasiado elevado (lo que se denomina un gap de energia) y, por lo tanto, es muy costoso que los pares de Cooper se rompan y que los electrones pasen a tener comportamientos individuales. En palabras sencillas, a los electrones de un superconductor les sale más barato “vivir como pareja de hecho”, y su separación tiene un coste tan caro que nunca sucede. Al “vivir” en pareja, los electrones no se pueden recombinar de manera individual con los átomos que forman el material y, por lo tanto, no hay resistencia alguna debida a impurezas o dislocaciones. En la realidad, por supuesto, el fenómeno es un poco más complejo y su explicación detallada y precisa involucra conocimientos de mecánica cuántica y de física del estado sólido. No obstante, la idea principal tras la explicación del fenómeno sigue siendo sencilla.

La superconductividad de alta temperatura es, sin embargo, muy distinta desde el punto de vista teórico de la de baja temperatura. En particular, la teoría BCS no explica el por qué se produce este tipo de superconductividad. De hecho, a dia de hoy, la superconductividad de alta temperatura es un autentico misterio, y constituye uno de los problemas abiertos más importantes de la física de la materia condensada. Algunas propuestas para explicar este estado de la materia estan basadas en el denominado modelo de Hubbard de interacciones en una red cristalina de partículas. Sin embargo, todavia no se ha hallado una explicación satisfactoria. Además, la simulación numérica de estos sistemas también plantea serios problemas computacionales. Por todo esto, el entendimiento de los mecanismos que dan lugar a la superconductividad de alta temperatura es uno de los retos de la fisica teórica actual.

 ¿Me puedes dar algun ejemplo práctico donde se usen superconductores?

¡Por supuesto! Como es de suponer, los superconductores (en especial los de alta temperatura) tienen numerosas aplicaciones en la industria. Por ejemplo, en los trenes de levitación magnética la parte inferior de los vagones esta formada por materiales magnéticos que levitan sobre railes superconductores, por lo que el tren se mueve sin resistencia alguna sobre las vias. Debido a eso, el tren alcanza mayores velocidades, disipa menos energia, contaminante menos, gasta menos combustible y, encima, es absolutamente silencioso. También se usan superconductores en las máquinas de resonancia magnética nuclear de los hospitales. Su aplicación tambien existe en los aceleradores de partículas, donde potentes electroimanes construidos con materiales superconductores se encargan de desviar y de guiar los distintos haces de particulas cargadas que viajan por el acelerador. También se usan superconductores en circuitos electrónicos digitales y filtros de radiofrecuencia y microondas para estaciones base de telefonía móvil. Los superconductores forman además la base de los denominados SQUIDs (dispositivos superconductores de interferencia cuántica), que son los dispositivos mas precisos que existenn para medir campos magnéticos. Como veis, la superconductividad es un buen ejemplo de cómo la investigación más básica puede acabar produciendo avances tecnológicos de lo mas inesperado y de gran valor en la industria y la sociedad.

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