La superconductividad eléctrica

La Superconductividad Frente al paso de una corriente electrica, los metales ofrecen una cierta resistencia: parte de la electricidad se transforma en calor y ello permite innumerables aplicaciones, como la plancha, la tostadora o elcalefactor electrico. Pero, en otros usos de la electricidad, sobre todoen su transmision a traves de cables, no resulta economico que aquella sepierda en forma de calor. En el a#o 1911 el fisico holandes Heike Kamerlingh Onnes descubrioque ciertos metales conducen la electricidad sin resistencia siempre ycuando se los haga "tiritar" cerca de la temperatura mas baja posible, unos 273 grados centigrados bajo cero. Dado que conseguir temperaturas tan bajas resulta muy costoso, elgran objetivo de la ciencia es encontrar materiales superconductores queoperen a temperaturas mas altas. Por ello, en el a#o 1986 se produjo un"boom" cuando los fisicos K. A. Muller y J. G. Bednorz encontraron queun material ceramico podia ser superconductor a una temperatura un poco masalta, unos 240 grados centigrados bajo cero. Desde entonces se han descubierto un gran numero de compuestos que presentan superconductividad si se los enfria solo con aire liquido, lo que permitira aplicaciones tecnologicas prometedoras. ¿Que se hace en superconductividad en Exactas?

Trabajando en un laboratorio de superconductividad

En el laboratorio se trabaja intensamente. Las diez o doce horas que duran las muy bajas temperaturas alcanzadas con el helio liquido deben ser aprovechadas al maximo. Ademas, previamente, se requieren unas ocho horas de preparativos. Por ello es comun que alguno de los investigadores pase la noche en el laboratorio para dejar todo listo y asi poder comenzar temprano al dia siguiente. Alli, las muestras de materiales superconductores, fabricadas porla Division de Fisica del Solido de la Comision Nacional de EnergiaAtomica, -con la que hay una estrecha colaboracion cientifica- sonsometidas a diferentes mediciones, a muy bajas temperaturas (por debajo de los 230 grados bajo cero). "Una de las tres lineas de investigacion que tenemos actualmente consiste en sacar o incorporar oxigeno en las muestras, sometiendolas a muy altas temperaturas, para ver que cambios se producen en la superconductividad", explica Bekeris. Otra de las investigaciones se basa en hacer pasar corrientes electricas desparejas a traves de una muestra, de modo que, en una parte,la corriente sea intensa, y en otra, debil. "Al medir la se#al endistintos puntos de la muestra, observamos que la corriente se organizadentro de ella", indica la investigadora, y aclara: "Lo que se mide en unlugar no depende de la corriente que pasa por alli, sino de su distribucionpor toda la muestra". Este es un experimento original del laboratorio y, segun Bekeris, puede tener aplicaciones interesantes ya que en los dispositivos que se fabriquen con estos materiales se van a producir estos fenomenos de corrientes desparejas, y es necesario saber que pasa en esas circunstancias. En el laboratorio se estudia tambien el tiempo que un material permanece magnetizado luego de ser sometido a un campo magnetico. El flujo magnetico suele quedar atrapado en los defectos del material y se va liberando de a poco. Para saber, con precision de microsegundos, cuanto tiempo le lleva liberarse, los investigadores someten a la muestra a unpulso muy corto de calor, con equipos de laser que proveen los fisicos Oscar Martinez y Mario Marconi. Este pulso de laser se aplica unos diez microsegundos despues de haber apagado el campo magnetico. Al hacer las mediciones se puede saber cuanto flujo magnetico habia, y cuanto se escapo,en ese lapso tan corto. Las peliculas delgadas de material superconductor para realizarestos experimentos son provistas por el Centro Atomico Bariloche. Para que sirve conocer cuanto tiempo queda atrapado el magnetismo? "Primero, esta es una pregunta basica, es decir que, conocer esa dinamica es conocer mas profundamente el comportamiento de estos superconductores. En cuanto a la posible relacion con aplicaciones, la famosa idea de levitacion magnetica se vincula, precisamente, con el anclaje del campo magnetico", se # a la Bekeris. La investigadora explica que, para que un material genere unafuerza repulsiva lo suficientemente intensa como para levantar su propiopeso, se necesitaria una magnetizacion muy alta, y esta puede lograrsemediante materiales que posean un gran anclaje de flujo magnetico. "Lo que estudiamos es cuanto tiempo dura el anclaje. Si este sedegrada rapidamente, no sirve", enfatiza la investigadora. Son las diez de la ma#ana, las maquinas licuefactoras se calmaron yahora comienza el verdadero trabajo, preciso y minucioso, para desentra#arlos enigmas de la superconductividad, y este es el camino obligado paraalcanzar los tan ansiados superconductores "calientes".

Fabricación por medio de reacciones en estado sólido de cerámicas superconductoras

Los materiales con características de superconductividad, presentan muy buenas expectativas respecto a su utilización en áreas donde los materiales tradicionales han encontrado sus límites. Durante 1995 se desarrolló un proyecto titulado "Conformado por Extrusión de Materiales Superconductores", donde se precisó cuantitativamente la dependencia de la estructura de la solución sólida Nd[1+x]Ba[2-x]Cu3O[7+d] y Bi2Sr[2+x]Ca[1+x]Cu2On para diferentes contenidos de oxigeno 1<=d<=0 y para algunos x selectos (0<=x<=0.5).

Las propiedades eléctricas y estructurales de estos compuestos, dependen fuertemente de la cantidad de oxígeno que contienen; muestras muy desoxigenadas, presentan más de una fase cristalina.

Luego de la obtención de los polvos con las características requeridas, se procedió a la manufacturación de elementos para comprobar sus propiedades de superconductividad.

El método de conformado fue la extrusión en matrices de acero, considerando los parámetros reológicos para la preparación adecuada de la mezcla y los de trabajo que permiten la obtención de cuerpos cerámicos manipulables, así como las condiciones de sinterización del cuerpo cerámico.

Desarrollo y fabricación de piezas a base de carburo de silicio: materiales permeables, materiales compuestos, materiales tixotrópicos.

Los avances logrados en las operaciones minero-metalúrgicas, han generado una demanda de materiales con propiedades únicas que soporten las severas condiciones de trabajo impuestas por las exigencias de mayor productividad en dichas faenas. Los materiales compuestos , cerámicos de matriz metálica, son los que satisfacen estos nuevos requerimientos de productividad y menores costos específicos de operación. El objetivo en este desarrollo fue la producción de cermets de carburo de silicio infiltrado con aleaciones de cobre. El problema esencial que se debió resolver, fue la compatibilidad de la fase cerámica con el metal o su aleación de tal forma que la infiltración ocurra ocupando debidamente los poros contenidos en la microestructura cerámica, sin que ocurra una reacción y, sin embargo, se logre una apropiada adhesión cerámica-metal. La configuración de la porosidad.

Transiciones Termodinámicas y Coherencia de Fase en Superconductores de Alta Temperatura

Anisotropía

Una de las propiedades más destacables de los superconductores basados en óxidos de cobre es que tanto sus propiedades en el estado normal como las que corresponden al estado superconductor muestran una gran anisotropía. Esa anisotropía refleja aquella que se evidencia en la estructura atómica

Los datos experimentales indican que la conductividad eléctrica es mucho mayor en la dirección de los planos de Cu-O (dirección ab) que en la dirección perpendicular a ellos (dirección c). Tenemos así una resistividad ab y una c. Una forma de definir la anisotropía del material es a través del cociente de resistividades en sus direcciones principales h = c /ab. Estos valores cambian desde el que corresponde al YBa2Cu3O7 h50, considerado como moderadamente anisotrópico, hasta los que corresponden a los materiales de mayor anisotropía, como el Bi2Sr2CaCu2O8, en el cual el cociente h20.000 pone de manifiesto la anisotropía extrema que caracteriza a estos materiales. Hemos demorado el análisis de la influencia de la anisotropía, no porque su efecto sobre las propiedades que discutimos sea de carácter secundario sino por que la anisotropía esencialmente solo modifica cuantitativamente la manifestación de esas propiedades

Para las anisotropías mayores, las propiedades físicas de los superconductores se pueden interpretar suponiendo que la superconductividad tiene un carácter cercano al bidimensional. La superconductividad se nuclea solamente en los planos de Cu-O. Las funciones de onda de los pares de Cooper en planos vecinos se superponen débilmente, permitiendo la existencia de efecto túnel (efecto Josephson) de pares entre planos. Este acoplamiento establece el carácter tridimensional del superconductor, induciendo la coherencia de fase en la dirección c.

La descripción teórica de la superconductividad en los sistemas laminares débilmente acoplados fue desarrollada por Lawrence y Doniach para describir el comportamiento de superconductores laminares convencionales, preparados artificialmente. Utilizando conceptos presentados en la teoría se puede interpretar algunas de las características cuasi-bidimensionales de los SAT. Resultados experimentales, que se discuten en este artículo muestran que aun el sistema YBa2Cu3O7 presenta características sólo esperables, de acuerdo a las concepciones teóricas aceptadas, en sistemas mucho más anisotrópicos. Creemos importante discutir resultados que se esperaría obtener en sistemas altamente anisotrópicos pues, a nuestro entender, ponen de manifiesto el comportamiento experimental, aun en sistemas que se consideran moderadamente anisotrópicos.

En una imagen laminar se considera que los planos superconductores se acoplan a través de láminas aisladoras. Dos tipos de corrientes superconductoras se pueden sostener en el sistema: las que circulan en los planos y asociadas a los correspondientes gradientes de la fase del parámetro de orden y las que, por efecto túnel, atraviesan los planos de Cu- O. En este último caso la corriente no está determinada por gradientes. El efecto Josephson explica el paso de corriente a través de junturas aisladoras, introduciendo una relación constitutiva no lineal entre la corriente y la diferencia de fase entre láminas. No puede haber corrientes determinadas por trayectorias que se localizan entre planos, pues no puede haber estados de pares con vida media infinita en la zona aisladora.

Figura 1. Esquema de la estructura de un vórtice en un SAT a temperatura nula y a temperatura finita. Las flechas representan las corrientes en los planos de CuO3

Un dibujo esquemático de cómo imaginamos un vórtice en un sistema bidimensional se muestra en la figura 2. Las corrientes se distribuyen en órbitas concéntricas sobre los planos, denominadas panqueques. Para minimizar la energía de línea del vórtice los panqueques se colocan uno encima de otro. Si las corrientes no fuesen superconductoras, esta disposición determina unívocamente la dirección del campo. Como la distancia entre planos es mucho menor que la distancia l(T) 1500 Å donde circula la corriente el resultado sería una distribución de campo indistinguible de la que corresponde a un vórtice continuo. Sin embargo, hay que tener en cuenta la relación constitutiva que gobierna la corriente superconductora. Para que no circulen corrientes en la dirección del eje c y de esa forma minimizar la energía cinética y de campo es necesario tener la fase del parámetro de orden igual entre todos los planos que constituyen la muestra laminar. Esto es, la fase cambiará en 2 en cada capa tantas veces como vórtices haya pero entre planos la diferencia de fase debe anularse.

Como los fenómenos físicos correspondientes al equilibrio termodinámico se manifiestan minimizando la energía libre y no necesariamente la interna, nos vemos obligados a analizar las excitaciones en un sistema laminar. Vimos cómo la teoría imaginaba la introducción de excitaciones de flujo magnético, en forma de toroides. Debemos pensar en formas similares que cumplan con los requerimientos de cuantificación de flujo, y que permitan introducir entropía en el sistema de panqueques. La forma más simple de introducir entropía en un sistema laminar es producir desplazamientos relativos entre panqueques en cada plano y de cada uno de ellos con relación a su vecino en el plano superior e inferior, ver fig. 2. Como al desplazarse las corrientes se introducen diferencias de fase entre planos, el desplazamiento irá acompañado de corrientes Josephson entre ellos. Como el flujo magnético debe ser conservado en forma de cuantos, las corrientes entre planos generan "vórtices Josephson" que interconectan los panqueques en los planos. Por comparación con la figura... lo que en ella eran desviaciones curvilíneas del vórtice se convierte aquí en desviaciones en forma de escalera, con dos tipos de corrientes. La energía de la excitación se compondrá de términos asociados a los panqueques y términos asociados a los tramos de vórtices Josephson.

Distinguir experimentalmente un sistema muy anisotrópico de uno laminar. es de hecho muy difícil, aunque conceptualmente son totalmente distintos. El sistema anisotrópico se describe a través de una anisotropía en los parámetros superconductores, indicando que cuesta menos energía distribuir corrientes en las direcciones ab que en c. Sin embargo un vórtice en la dirección ab tendrá corrientes superconductoras alrededor del núcleo que están contenidas en las regiones entre planos. La forma más segura de detectar un verdadero comportamiento laminar es realizar experimentos que pongan de manifiesto la existencia de junturas Josephson. Hasta ahora esto sólo se ha mostrado en los compuestos de Bi2Sr2CaCu2O8. Pese a ello, muchos resultados experimentales se pueden describir con mayor facilidad a través del modelo laminar.

Ahora que hemos discutido las características anisotrópicas de los superconductores, resulta evidente que cuanto más anisotrópico sea el superconductor más fácil será introducir excitaciones en forma de vórtices cerrados. Vemos así, la importancia que adquiere la constante C44 en la aproximación elástica del tratamiento de la interacción entre vórtices.

Omar Caballero

Electrónica del estado sólido

seccion 1