sábado, 20 de marzo de 2010

Superconductividad

PABLO R DUQUE M

CRF

 

 


Al aplicar una diferencia de potencial en un metal, se produce un movimiento de los portadores de carga que conforma una corriente eléctrica. Esta corriente será mayor cuanto menor sea la resistencia eléctrica del material, y viceversa. Esto es lo que se conoce como la Ley de Ohm, que indica que la resistencia es el coeficiente de proporcionalidad entre el voltaje y la corriente eléctrica de un material conductor.
Pero ¿cuál es el origen microscópico de la resistencia eléctrica? Puede tenerse una imagen sencilla de su origen para el caso de los metales (que tienen cargas eléctricas libres, a diferencia de los semiconductores o de los aislantes) si consideramos que al desplazarse por el material las cargas eléctricas van chocando con imperfecciones de la red cristalina o con iones que se encuentran vibrando fuera de su posición de equilibrio. De esta manera, cuantos más choques experimenten las cargas, más les costará avanzar en el material y por lo tanto mayor será la resistencia eléctrica. Como justamente la temperatura corresponde a una medida de las vibraciones mencionadas, resulta natural esperar que al incrementar la temperatura tengamos una mayor resistencia eléctrica como consecuencia de una mayor cantidad de choques, favorecidos por el incremento de las vibraciones de los iones y por lo tanto de las imperfecciones de la red cristalina.
A principios del siglo XX, tras el éxito de aplicar las ideas de L. Boltzmann al estudio de los gases (la teoría cinética de los gases), se trataba de entender los procesos de conducción eléctrica de los metales suponiendo que los electrones disponibles para la conducción se comportaban como un gas. Se esperaba entonces que al enfriar un material conductor, sus electrones tuvieran comportamientos similares a los observados para los gases, por lo que se esperaba que podría existir una temperatura por debajo de la cual se iban a condensar, formando un líquido de electrones y hasta eventualmente un sólido. De esta manera, los electrones perderían movilidad y esto debería manifestarse como un fuerte incremento en la resistencia eléctrica por debajo de alguna temperatura crítica. A principios del siglo XX, la posibilidad de realizar mediciones de la resistencia eléctrica a bajas temperaturas (cercanas al cero absoluto, correspondiente a 0 Kelvin o a -273.16 ºC) estuvo ligada justamente al desarrollo tecnológico de poder enfriar y aislar térmicamente los materiales a medir. El holandés Kamerlingh Onnes fue quien en 1908 logró licuar y conservar helio líquido, que es el líquido criogénico que se emplea para alcanzar temperaturas de hasta 1 ºK. De esta manera, en 1911 pudo iniciar sus investigaciones acerca de cómo conducen los metales a medida que se reduce la temperatura. Para su sorpresa, a una temperatura cercana a los 4 ºK la resistencia eléctrica de la muestra de mercurio (Hg), que venía disminuyendo al disminuir la temperatura... se hizo abruptamente cero en lugar de crecer y hacerse aislante como él esperaba.
Este nuevo estado de resistencia nula (sólo logra estimarse una cota superior de 10-23 ohm.cm, 16 órdenes de magnitud inferior a la del Cu al observar el decaimiento de una corriente establecida en un anillo superconductor) o de conductividad infinita fue bautizado por K. Onnes como superconductividad.
Fueron necesarios más de cuarenta años adicionales de investigaciones para llegar a un mejor entendimiento del estado superconductor. En 1933 W. Meissner y R. Ochsenfeld mostraron que un superconductor es más que un conductor perfecto, ya que también puede llegar a comportarse como un diamagneto perfecto, anulando el campo magnético en su interior.
También se observó la existencia de un campo magnético y una corriente críticos, por arriba de los cuales el material pierde el estado superconductor. Los hermanos London establecieron en 1935 las ecuaciones constitutivas que junto con las ecuaciones de Maxwell describen el comportamiento electromagnético de estos materiales. Los experimentos fueron develando también un comportamiento muy particular de la capacidad calorífica para temperaturas inferiores o iguales a la transición superconductora, junto a la existencia de un estado llamado mixto, donde algunos superconductores dejan de ser diamagnetos perfectos y dejan entrar parte del campo magnético pero de una manera muy particular: en cuantos de flujo o vórtices, que pueden llegar a conformar en el interior del material una red ordenada. Hizo falta esperar a 1957 para que J. Bardeen, L. Cooper y J. R. Schrieffer elaboraran una teoría (conocida como BCS, por las iniciales de sus apellidos) que logró explicar, desde la microscopía, muchas de las propiedades observadas experimentalmente del fenómeno de la superconductividad. Aplicando las leyes de la mecánica cuántica describieron una interacción entre electrones que termina siendo atractiva, a pesar de la repulsión coulombiana que experimentan por tratarse de partículas con carga de igual signo. De esta manera, gracias a las interacciones con las vibraciones de la red de iones, los electrones forman pares que interactúan fuertemente entre sí, conformando un estado condensado de partículas indistinguibles cuya rigidez electrónica les confiere las mencionadas propiedades del estado superconductor. En definitiva, mostraron que la superconductividad es una manifestación macroscópica de propiedades cuánticas de la materia.

Diagrama de fases H-T de superconductores tipo I y tipo II. Para los superconductores de tipo II se observa la aparición de un estado mixto donde el flujo del campo magnético penetra en el material en forma cuantificada. Los cuantos de flujo, llamados vórtices, bajo ciertas condiciones se ordenan formando estructuras triangulares, así como ocurre con los átomos en una red cristalina.
A partir de la década del 60 se encontraron propiedades adicionales y las primeras aplicaciones de superconductores, como las que se derivan del efecto túnel de pares superconductores entre dos partes superconductoras separadas por un metal normal o por un aislante (efecto Josephson), que permite armar un dispositivo ultrasensible al campo magnético (llamado SQUID, por Superconducting Quantum Interference Device) así como el desarrollo de cables para fabricar solenoides capaces de generar campos magnéticos hasta 20 veces mayores que los mayores generados por los mejores electroimanes convencionales (de hasta 20 tesla).
A mediados de los 80, el desarrollo de las aplicaciones parecía estancado por el hecho de que, por un lado, no se habían podido sintetizar materiales que alcanzaran el estado superconductor a temperaturas superiores a los 30 ºK, que era por otro lado lo que predecía la teoría BCS como límite para que la interacción de apareamiento siga siendo efectiva. En el año 1986 se produjo entonces una revolución en esta área, ya que se descubrieron nuevos materiales superconductores, basados en óxidos de cobre con estructura de perovskita y con temperaturas críticas muy superiores al límite mencionado (entre 40 ºK y 90 ºK en el año 1987). Durante diez años sostenidos gran parte de la comunidad científica del área de la materia condensada se dedicó a estudiar tanto desde el punto de vista teórico como experimental esta nueva superconductividad llamada "de alta temperatura crítica" (o HTSC en la jerga inglesa), donde la teoría BCS no resulta más válida y donde las fluctuaciones térmicas juegan un papel preponderante. A pesar de haberse logrado grandes avances en el entendimiento de las propiedades características de estos nuevos materiales, hoy en día no existe una teoría que logre explicar el mecanismo que produce y confiere las propiedades del estado superconductor de "alta temperatura". El sueño de tener un material superconductor a temperatura ambiente tampoco se logró, aunque no existe en este momento un límite teórico que impida que esta nueva superconductividad se desarrolle a temperaturas aún mayores que la temperatura ambiente. El récord actual de temperatura crítica superconductora lo tienen los cupratos superconductores basados en elemento mercurio y dopados con flúor, que alcanzan los 138 ºK (-135 ºC) a presión ambiente y los 166 ºK (-107 ºC) bajo presiones cercanas a las 20.000 atmósferas.

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