viernes, 19 de noviembre de 2010

Evolución de los superconductores

La atmósfera en el mundo de la superconductividad ha cambiado bastante en el último tiempo, en virtud no sólo de la complejidad para producir los nuevos materiales superconductores sino por sus características técnicas que los hacen inferiores en todo caso a los superconductores convencionales.


En especial, vale la pena mencionar dos dificultades inherentes a los nuevos superconductores cerámicos, que limitan en alto grado el flujo de corriente transportada y por ende sus aplicaciones: la existencia de uniones débiles entre granos y el movimiento de vórtices.


Recordemos que los nuevos materiales superconductores son ante todo cerámicos, es decir, la fragilidad es una de sus características, lo que hace especialmente difícil su utilización en la fabricación de alambres y circuitos eléctricos. Adicionalmente, ellos son de naturaleza granular, lo que da lugar al fenómeno denominado de uniones débiles entre granos superconductores que dificulta el paso de corriente de un grano a otro por no estar éstos siempre acoplados de manera apropiada; es así como cualquier defecto de alineación, aún de unos pocos grados, inhibe el flujo de corriente sin resistencia reduciendo la cantidad de corriente transportada en dos o más órdenes de magnitud. Los esfuerzos por superar dichas dificultades han llevado a los investigadores en el campo a seguir diversos caminos que, si bien no solucionan del todo los problemas existentes, permiten bordearlos y abren perspectivas para la utilización de los nuevos materiales.


Los problemas debidos a la existencia de uniones débiles y movimiento de vórtices son bastante apreciables en las aplicaciones de las cerámicas superconductoras en bloque, es decir, en usos como alambres para motores, bobinas, líneas de transmisión, etc. sin embargo, estas dificultades son menos dramáticas en las aplicaciones de los nuevos materiales en forma de películas delgadas, utilizadas específicamente en el campo de la microelectrónica y en técnicas que utilizan microondas. Películas delgadas fabricadas con Itrio (YBCO), por ejemplo, pueden conducir corrientes entre 106 y 107 A/cm2; esto es posible porque en películas delgadas las uniones débiles no son un serio impedimento ya que los granos pueden alinearse con el sustrato sobre el que crece la película. Tales muestras epitaxiales son, además, pequeñas en comparación con el material en bloque de tal manera que existen relativamente pocas fronteras de grano que impidan el flujo de corriente. En general, se ha encontrado que las películas superconductoras con alto grado de textura y epitaxiales, reducen o anulan completamente la influencia de las uniones débiles, lo que permite un mejor aprovechamiento de la capacidad intrínseca de transporte de corriente de los granos superconductores.

Un reto aún más difícil de resolver proviene del movimiento de los vórtices producidos por la aplicación de un campo magnético suficientemente intenso; este movimiento es el causante de fenómenos de disipación y del comportamiento resistivo presente en los HTS. Veámoslo en más detalle; en los años cincuenta A. Abrikosov publicó la teoría básica del comportamiento de los superconductores convencionales de tipo II en un campo magnético. La respuesta magnética de un superconductor de tipo II por debajo de Tc depende de la intensidad del campo magnético aplicado y de la temperatura.


Un campo magnético suficientemente intenso puede penetrar el superconductor en forma de haces discretos de líneas de flujo magnético denominados vórtices. Ahora bien, los HTS desafortunadamente no se comportan según el modelo de Abrikosov. Sometidos a campos magnéticos de unos 10 T, la resistencia de algunos de estos nuevos materiales sólo disminuyó hasta que su temperatura descendió al 20 o 30% de la Tc. En ciertos casos la resistencia en presencia de un campo magnético, en algunos materiales, se mantuvo 100 veces mayor que la del cobre. La razón parece ser que las líneas de vórtice se comportan de manera inusual y no siempre se organizan en una red triangular rígida. Se halló que la red de vórtices se "funde" como consecuencia de las fluctuaciones térmicas de las líneas de vórtice, creándose un estado adicional parecido al líquido: el líquido de vórtices. (el fenómeno es similar al de la fusión del hielo a causa de las vibraciones térmicas de las moléculas de agua). Un estado tal, permite el movimiento de los vórtices por todo el material impidiendo el flujo de corriente.


El comportamiento del estado líquido de vórtices continúa siendo hoy en día un interrogante; en lo que parece existir consenso es en que hay una variedad de razones por las cuales este nuevo estado de la materia debe obstaculizar el paso de corriente en los superconductores de alta temperatura. Recordemos que una línea de vórtice consiste en corrientes eléctricas que circulan alrededor de un núcleo normal. Cuando una corriente eléctrica adicional fluye por la muestra, se suma a la corriente que circula a un lado del vórtice y se resta de la corriente del lado opuesto, resultando una fuerza que tiende a mover el vórtice en una dirección simultáneamente perpendicular a la línea de vórtice y a la de la corriente aplicada. Si las líneas de vórtice se mueven en respuesta a esta fuerza, disiparán energía de la corriente, es decir, se induce un voltaje en la muestra y, por tanto, resistencia. En los superconductores convencionales de tipo II, caracterizados por una longitud de coherencia larga y una longitud de penetración corta, la fuerza que impide que las líneas de vórtice vibren con amplitud cada vez mayor (fuerza restauradora) es dominante y mantiene las líneas de vórtice rectas y cortas impidiendo que vibren con amplitud cada vez mayor al aumentar la temperatura, por efecto de las fluctuaciones térmicas. Los HTS por el contrario, tienen características prácticamente opuestas: la longitud de coherencia es corta y la de penetración es larga, es decir, una fuerza recuperadora pequeña, lo que conduce a que las líneas de vórtice sufran grandes fluctuaciones térmicas. En efecto, a temperaturas elevadas las líneas vibran tanto que la red de vórtices se funde presentándose el estado líquido de vórtices. Por desgracia, la temperatura de "fusión" en los óxidos de cobre está por debajo de la temperatura del nitrógeno líquido. Investigaciones de la resistencia en función de la temperatura, realizadas en muestras de YBCO sometidas a un campo magnético, indican que a altas temperaturas (en la fase de líquido de vórtices) la resistencia es alta y desaparece al bajar la temperatura, cuando el líquido de vórtices se congela y entra al estado reticular de vórtices en donde las líneas ya no tienen libertad de movimiento.

Ahora bien, quienes trabajan con superconductores convencionales introducen en éstos defectos de manera controlada, pues cuanto más "sucio" sea un superconductor más corriente puede transportar. Tales impurezas "anclan" los vórtices e impiden que se muevan. En consecuencia, existe la posibilidad de introducir anclajes del flujo magnético, teniendo en cuenta que los mejores son aquellos que se ajustan al tamaño de la longitud de coherencia. 


Observaciones recientes han demostrado, además, la importancia del desorden, producido por el anclaje, en la modificación de la dinámica de la transición de fusión. El líquido de vórtices de un cristal desordenado se condensa en un estado de vidrio de vórtices, caracterizado por una distribución irregular y desordenada de vortices, en vez de hacerlo en una red regular de vórtices; en consecuencia, la resistencia y las corrientes en el material disminuyen regularmente hasta cero, a medida que la temperatura se va acercando a la temperatura de congelación del líquido. En cristales limpios, por el contrario, la transición de fase es brusca y presenta histéresis. Queda pendiente aún, naturalmente, el reto de traducir este nuevo conocimiento en aplicaciones prácticas, es decir, conocer cómo se mueven y organizan estos vórtices a distintas temperaturas y en campos magnéticos diversos para controlar de esta manera el fenómeno y mantener el flujo superconductor.




Evolución de los superconductores





Jose E. Guerrero C

CAF

Seccion 1

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