jueves, 25 de marzo de 2010

Superconductividad: la resistencia es inútil

Superconductividad: la resistencia es inútil
Hoy en día, la palabra "superconductividad" tiene muchos puntos en
común con lo que en otros tiempos fue la búsqueda del santo grial. Por
superconductividad entendemos una propiedad de determinados materiales
que por debajo de una temperatura crítica no ofrecen resistencia a la
corriente eléctrica. En estas condiciones son capaces de transportar
la energía eléctrica sin perdidas... o generar campos magnéticos
inmensos. Las ventajas de este fenómeno son evidentes: el 15% o el 20%
de nuestra factura de la luz corresponde a energía disipada en los
cables de distribución. Puesto que la super- conductividad se
descubrió a principios de siglo... ¿cómo es posible que todos nuestros
cables no estén construidos mediante estos materiales? La respuesta es
sencilla pero desagradable: muchas veces el fenómeno sólo aparece a
temperaturas bajísimas, mas frías en ocasiones que las que podemos
encontrar sobre la superficie de Plutón. Estas temperaturas sólo
pueden conseguirse mediante gases raros, como el helio líquido o
sistemas de refrigeración caros y complicados. La batalla en la que
estamos inmersos hoy en día es precisamente el cómo subir el umbral de
esa temperatura crítica hasta valores mas asequibles y solucionar de
paso los otros problemas que han ido apareciendo en el largo camino
que los superconductores han tenido que recorrer hasta el momento
actual...
Un fenómeno del siglo XX
La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico holandés
Heike Kamerlingh Onnes. Había estado trabajando en el comportamiento
de la materia a baja temperatura (de hecho fue el primero en conseguir
helio liquido), cuando observó que el mercurio transmitía la
electricidad sin pérdidas por debajo de 4,2 K (-269 °C). Las malas
lenguas cuentan que el hallazgo tuvo lugar cuando Onnes pidió a un
alumno que midiera la resistencia eléctrica del mercurio. El alumno
regresó con la noticia de que la resistencia del metal desaparecía
misteriosamente cuando la temperatura de la muestra alcanzaba los 4,2
K... a lo que Onnes replicó ordenándole que volviera al laboratorio a
encontrar el "error" que había cometido. Tras repetir varias veces la
experiencia llegaron a la conclusión de que habían realizado un
descubrimiento histórico: Onnes recibió el Nobel de física en 1913. En
años posteriores se encontraron muchos más materiales que poseían esta
propiedad cuando se les enfriaba por debajo de un cierto punto
crítico, la llamada temperatura de transición.
La desaparición de la resistencia eléctrica no es la única propiedad
asombrosa de los superconductores: su comportamiento frente a los
campos magnéticos también resulta fascinante. En 1933 Walther Meissner
y R. Ochsenfeld descubrieron que un campo magnético aplicado a un
superconductor es expulsado completamente del interior de este por
debajo de su temperatura de transición superconductora. En su honor
este efecto se conoce hoy en día como efecto Meissner y es el
responsable de la fotografía típica que todos asociamos con
superconductividad: la de un pequeño disco de material flotando
libremente en el aire por encima de un imán.
La explicación del fenómeno demostró pronto ser extraordinariamente
escurridiza. En un principio se pensó que puesto que la resistencia
eléctrica desaparecía, el material se comportaría como un conductor
perfecto. Pero el experimento de Meissner echó abajo esa hipótesis: el
superconductor no cumplía lo que predecía la teoría clásica de los
fenómenos eléctricos y magnéticos (las ecuaciones del físico escocés
James C. Maxwell) para un material de estas características. En 1935
F. y H.
London desarrollaron una teoría fenomenología de la
superconductividad, es decir, estudiaron cómo ocurren las cosas en un
superconductor, pero no el porqué. El primer intento serio de dar una
explicación de lo que ocurría en las entrañas de un superconductor se
debe a Frölich en 1950, el cual se basó en unos experimentos de la
época que pusieron de manifiesto que la temperatura de transición
tenia mucho que ver con la masa de los iones del material. Gracias a
estos trabajos, fue abriéndose paso la idea de que la
superconductividad era una fase distinta de la materia, una
manifestación a escala
microscópica de la extraña teoría cuántica. Pero hubo que esperar
hasta 1957, cuando Bardeen, Cooper y Schrieffer desarrollaron la
teoría que mejor explica la superconductividad, conocida en su honor
como teoría BCS (por la que recibieron el Nobel en 1972).
Se seguía buscando como subir más y más la temperatura de transición,
utilizando principalmente aleaciones de metales más o menos exóticos.
En la década de los 60 se experimentaron con mezclas de niobio/estaño
y niobio/titanio que permitieron llevar
a cabo las primeras aplicaciones comerciales de la superconductividad.
En 1962, Josephson, predijo la unión que lleva su nombre (y que
posteriormente fue confirmada experimentalmente), un dispositivo que
permite la medida extremadamente precisa
de campos magnéticos. También tuvieron que pasar 11 años antes de que
Josephson recibiera el Nobel por sus trabajos.
Y así estaban las cosas (aplicaciones escasas y muy especializadas)
hasta 1985. En diciembre de ese año, Muller y Bednorz (ganadores del
Nobel de Física en 1987) describieron una nueva cerámica, un oxido de
bario/lantano/cobre en la que la
superconductividad aparecía a la asombrosa temperatura (para la época)
de 35 K : casi el doble de lo que se había conseguido hasta entonces.
Y en 1987 el gran bombazo: Maw-Kuen Wu y Paul C. W. Chu descubrieron
una cerámica de oxido de itrio, bario y
cobre (YBCO) que era superconductora a 93 grados Kelvin. Esto
significaba que estos materiales podían refrigerarse con nitrógeno
liquido, que tiene un precio sensiblemente inferior al de la cerveza:
hasta los refrigeradores de laboratorio mas
pequeños podían enfriarlos por debajo de la temperatura de transición.
Por todo el mundo, los científicos se convirtieron en alfareros: ya se
han descubierto centenares de cerámicas con temperaturas de transición
cada vez más y más altas. Hoy en día
disponemos de superconductores con una temperatura crítica de -109º
centígrados, que puede conseguirse con refrigeradores de aire
industriales y hay experimentos que han encontrado efectos
superconductores a -23º centígrados: una temperatura
normal en muchos puntos de la superficie de nuestro planeta.

¡Los electrones se atraen!
Hay un viejo chiste entre los físicos teóricos que resume su modo de
trabajar. Pregunta: ¿Cómo explicaría un físico teórico el movimiento
de una vaca?". Repuesta: "Consideraría primero que es esférica y de
masa despreciable". De igual modo, para
estudiar un metal, suponen que es infinito, que los átomos que se
disponen de forma perfectamente periódica formando una red cristalina
y que los electrones se mueven a sus anchas por todo el sistema. Este
modelo simple e irreal, que recibe el
nombre de gas de Fermi (por el físico italiano Enrico Fermi, que
concibió una imagen similar de los núcleos atómicos), paradójicamente
da unos resultados excelentes a la hora de describir las propiedades
básicas de cualquier metal. Sin embargo
desprecia, entre otras muchas cosas, la interacción que hay entre el
gas de electrones y los iones de la red.
Los iones no están fijos en sus posiciones, sino que vibran alrededor
de ellas. Es válido visualizarlos como pequeñas bolitas enganchadas a
sus vecinas mas próximas mediante muelles. Las fuerzas restauradoras
que crean los muelles sobre un ion cuando
este se mueve un poco de su posición hacen que vibre y que esta
vibración se propague por todo el cristal. Ahora bien, como estamos en
una escala microscópica (de menos de una millonésima de un milímetro),
debemos estudiar el problema desde el punto
de vista cuántico. La teoría cuántica afirma que estas ondas no pueden
tener una energía cualquiera. La energía esta cuantizada en paquetes
llamados fonones. Frölich estudió que pasaba cuando un electrón libre
de un metal interaccionaba con un fonón. Llego a la conclusión de que
la superconductividad tenía mucho que ver con dicha interacción, ya
que la temperatura de transición estaba ligada con la masa de los
iones de la red.
Apoyándose en el trabajo de Frölich, los físicos Bardeen, Cooper y
Schrieffer, trabajaron en una teoría completa de la
superconductividad, descubriendo el mecanismo microscópico que daba
lugar a que un metal se volviera superconductor: un electrón
interactúa con un fonón, deformando la zona de la red cercana; un
segundo electrón ve entonces que la red esta deformada y se ajusta
para que su energía siga siendo mínima. Esta interacción indirecta
entre los dos electrones mediada por los fonones provoca, en
determinadas circunstancias, que los dos electrones se atraigan entre
si, superando la natural
repulsión que sufren y formando un par ligado. Por encima de la
temperatura de transición, hay poquísimos pares de electrones que
están ligados. Pero, por debajo, hay una transformación entera del
sistema que genera muchos pares de estos, es decir, el
metal sufre una transformación de fase.
Los experimentos sugieren que los superconductores clásicos tienen una
zona de energías electrónicas prohibidas, denominada gap. En los
metales ordinarios, las cargas pueden moverse libremente y se aceleran
en presencia de un campo eléctrico. Por
debajo de la temperatura crítica, a los pares de electrones de un
superconductor les esta prohibido por las leyes de la mecánica
cuántica desplazarse por encima de un cierto valor de la velocidad. El
gran triunfo de la teoría BCS fue probar que ese gap era una
consecuencia directa de la formación de los pares de electrones. Es
más, fue posible demostrar que todas las propiedades físicas de un
superconductor se podían escribir en función del tamaño del gap. Este
hecho prueba el porqué un superconductor es un estado tan estable.
Efectivamente, si aplicáis un campo magnético a un superconductor,
necesitareís que aquel sea bastante grande para que los electrones
ganen mucha energía y puedan saltar la zona prohibida.
De esta manera, los pares se rompen y desaparece la superconductividad.
Publicado por Jhon Ender Duque Valderrama en 14:04
CRF
http://supercondutivity.blogspot.com/2010/02/jhon-ender-duque-v.html

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