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| Andrea L. Aburto E. |
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Uno de los temas más apasionantes en la física del estado
sólido es sin lugar a dudas la superconductividad, un fenómeno que presentan algunos materiales, los cuales, bajo ciertas condiciones, conducen corriente eléctrica sin resistencia y, por ende, sin pérdida de energía; además, dichos materiales poseen la capacidad de impedir la penetración de las líneas de campo magnético, es decir, pueden llegar a levitar en presencia de un imán.
La superconductividad es un efecto cuántico macroscópico, o sea que se puede observar a simple vista, pero su explicación pertenece al mundo de los electrones. Esta rama del conocimiento es una de las más emocionantes debido a sus implicaciones, aplicaciones y por los personajes involucrados. La historia se puede remontar al año de 1908, cuando Kamerlingh Onnes logró la licuefacción del helio, con lo que se alcanzaba la más baja temperatura conocida para ese entonces (–268.95 °C o 4.2 K), cumpliendo además dos cometidos: 1) ganarle la carrera a James Dewar en la búsqueda de la licuefacción del “último de los gases permanentes” y 2) poder estudiar materiales en ese ambiente frío.
Tres años después, en la Universidad de Leiden, Holanda, Heike Kamerlingh Onnes le propuso a su estudiante Gilles Holst medir la resistividad —esto es, la capacidad de un material para oponerse al paso de una corriente eléctrica— del mercurio con la idea de estudiar el comportamiento de la resistencia eléctrica en un metal puro al bajar la temperatura cerca del cero absoluto (0 K). En 1911 descubrieron que la resistividad se anulaba por debajo de 4.15 K. Tan insólito fue el suceso, que se cuenta que cuando Holst le presentó sus resultados a Onnes, éste le ordenó que volviera al laboratorio a encontrar el “error”. Verificó sus instrumentos, repitió el experimento varias veces y este comportamiento “extraño” fue confirmado. Dicen que, por ser jefe de Holst, Onnes “se quedó con la paternidad del descubrimiento” y refieren que, como castigo, la temperatura de transición superconductora no lleva su nombre.
Holst dejó el Laboratorio Leiden tras recibir una oferta para fundar un nuevo laboratorio industrial patrocinado por el conocido comerciante de lámparas y filamentos: Gerard Philips. Al año siguiente, Onnes descubrió también que el estaño y el plomo, malos conductores de la electricidad, presentaban una pérdida en la resistencia a 3.7 y 6 K, respectivamente. En 1913 recibió el Premio Nobel de Física.
La resistividad en un conductor metálico disminuye a medida que ba-ja la temperatura. En los metales tradicionales, como la plata y el cobre, las impurezas y otros defectos hacen que se observe una resistencia no nula, ya que los electrones no encuentran un camino llano, sino que colisionan con imperfecciones e impurezas de la malla. Al momento de impactar con los obstáculos, los electrones se propagan en todas direcciones y pierden parte de su energía en forma de calor debido al efecto Joule. En los superconductores, en cambio, la resistencia decae abruptamente a cero cuando la muestra se enfría por debajo de una cierta temperatura, denominada temperatura crítica, por lo que son materiales capaces de conducir corriente eléctrica sin pérdida de energía.
Explicar por qué los electrones atraviesan el material superconductor sin resistencia ocupó a la comunidad científica durante más de cuarenta años. Los primeros investigadores propusieron que, en condiciones de baja vibración atómica, los electrones podrían fácilmente atravesar el material conductor y se esperaría entonces una lenta disminución de la resistividad por la temperatura, idea que fue insuficiente para explicar la superconductividad.
Diamagnetismo perfecto
En 1933, los científicos alemanes, Walter Meissner y Robert Ochsenfeld, descubrieron que los superconductores además presentan la propiedad de la impermeabilidad a campos magnéticos. Este fenómeno es conocido hoy en día como diamagnetismo perfecto o efecto Meissner. Así, los superconductores, más que conductores perfectos, como suponía Onnes, son diamagnetos perfectos, esto es, que poseen la capacidad de repeler el campo magnético.
El diamagnetismo en un material superconductor se considera la segunda característica increíble de la superconductividad. Cuando una muestra superconductora se acerca a un imán, en la superficie de ésta se genera una corriente que a su vez produce un campo magnético que se opone al campo externo aplicado, cualquiera que sea su polaridad (figura 1).
Durante la década de los cuarentas se descubrió superconductividad en otros metales y en compuestos o aleaciones. En 1941 se encontró que el nitrato de niobio es superconductor a 16 K y, en 1953, que el silicato de vanadio lo es a 17.5 K. En 1962, científicos de la empresa Westinghouse desarrollaron el primer hilo superconductor comercial, una aleación de niobio y titanio. El primer uso de este alambre fue para fabricar los electroimanes de un acelerador de partículas y en 1987 se utilizó en el Tevatrón, el acelerador de partículas circular del Fermilab, ubicado en Illinois, Estados Unidos.
Sobre las bases teóricas
Las teorías que han permitido la comprensión de algunos aspectos de la superconductividad son bastante complejas y van más allá de las pretensiones de este trabajo (cabe mencionar que hasta hoy no existe una teoría acabada que dé cuenta o explique cada uno de los resultados que a continuación presentaremos). Fue en 1950 que Richard Feynman declaró que la superconductividad era el problema teórico más importante de la época, ya que lo habían intentado resolver Einstein, Bohr, Heisenberg y él mismo. Sin ninguna teoría sobre la cual apoyarse, los científicos se dedicaron a realizar experimentos con diferentes muestras de elementos puros y con aleaciones de titanio, estroncio, germanio y, sobre todo, niobio, con el que se obtuvieron los mejores resultados.
¿De dónde viene este fenómeno que ninguna teoría predice ni puede explicar? La interrogante sobre el origen de la superconductividad mantenía preocupados a los científicos. En consecuencia, dos posibles explicaciones sobre las propiedades básicas de la superconductividad fueron propuestas: el modelo de los dos fluidos de Gorter y Casimir, en 1934, y en 1935 la teoría fenomenológica —un análisis descriptivo con base en las experiencias conocidas en electromagnetismo— de Fritz y Heinz London.
Los científicos que buscaban una explicación a la superconductividad se basaron en las ideas y técnicas del momento: la cantidad de calor requerida para licuar los gases, los aparatos de medición de temperatura y los cambios de estado de la materia. A pocos años del postulado de Nernst –el cero absoluto no es una temperatura alcanzable–, no es de extrañar que el enfoque para un esclarecimiento de este nuevo fenómeno haya procedido del electromagnetismo y de la termodinámica.
En 1934, Cornelis Jacobus Gorter y Hendrik Brugt Gerhard Casimir (estudiantes de Wander de Haas y Paul Ehrenfest, respectivamente) propusieron explicar la superconductividad a partir del modelo de los dos fluidos. La idea era modelar los electrones como pertenecientes a dos tipos de fluido: el de los electrones normales y el de los “superelectrones”. Los primeros se comportan como ya conocemos, chocando con las impurezas de la red cristalina; en cambio los superelectrones pueden atravesar la red sin perturbaciones. Esta suposición permitió deducir varios resultados y aseverar que el estado de superconductividad es un estado termodinámico que se caracteriza perfectamente por la variación del calor específico y la ausencia de calor latente o entalpía al momento de la transición.
Sin embargo, el modelo no decía nada del origen de la superconductividad. En 1935, los hermanos London desarrollaron una teoría fenomenológica de la superconductividad, estudiando cómo ocurren las cosas en un superconductor pero no el porqué. De este modo describieron las dos propiedades básicas (resistencia cero y expulsión del campo magnético) en el marco de la electrodinámica. En líneas generales, su idea fue que en el estado de superconductividad el campo magnético externo es repelido y sus ecuaciones permitieron determinar la longitud de penetración de dicho campo al interior del superconductor, lo que se transformó en una de las propiedades fundamentales de tales materiales.
Durante la Segunda Guerra Mundial se interrumpió el estudio de los superconductores y fue retomado hasta 1950. Los científicos rusos Lev Landau y Vitali Ginzburg presentaron una teoría de transición de fase superconductora en la que utilizaban la termodinámica y al fin la mecánica cuántica, describiendo la superconductividad por medio de la teoría general de las transiciones de fase. Su teoría fenomenológica describía la fase superconductora mediante una función de onda particular y sigue siendo de utilidad hoy día. Landau recibió, por sus aportaciones, el Premio Nobel de Física en 1962.
En 1950 Herbert Fröhlich propuso un análisis unidimensional con enfoque termodinámico, donde la periodicidad y el desplazamiento de la red cristalina desempeñaban un papel fundamental. Este estudio fue el primer intento serio por dar una explicación de lo que ocurre al interior de un superconductor. Se basó en experimentos de la época que ponían de manifiesto que la temperatura de transición se relaciona con la masa de los iones del material (efecto isotópico). La aportación más importante de Fröhlich fue constatar que es posible tener una interacción atractiva de dos electrones si ésta ocurre a través de las vibraciones de la red. Dicha aseveración tuvo implicaciones enormes en la construcción de una teoría de la superconductividad.
Surge una teoría
La primera teoría que explicó la superconductividad fue presentada en 1957 por tres físicos de Estados Unidos: John Bardeen, John Schiffer y Le- on Cooper, la cual es conocida como bcs por las iniciales de los apellidos de sus descubridores, y retoma la idea de Herbert Fröhlich sobre la existencia de pares formados por electrones, responsables de que se lleve a cabo la superconductividad.
Lars Onsager investigó en 1953 el flujo magnético cuando éste pasa por un anillo superconductor y observó que el valor mínimo del flujo saliente concordaba con un valor de dos veces la carga del electrón. Basándose en esta idea, Leon Cooper, quien acababa de obtener su doctorado, se incorporó al grupo de Bardeen en septiembre de 1955 y comenzó a estudiar la interacción electrón-electrón. Se dio cuenta de que, a bajas temperaturas, las vibraciones de la red cristalina obligaban a los electrones a aparearse. Al desplazarse por el sólido, un electrón generalmente deforma la red cristalina, lo que produce una pequeña polarización, que a su vez atrae al otro electrón. Esta atracción forzada les permite sobrepasar los obstáculos responsables de la resistencia eléctrica en un conductor. El apareamiento de los electrones en estado de superconductividad (llamado pares de Cooper) es favorable, ya que es un estado de menor energía, en donde los pares se desplazan de manera más ordenada que los electrones individuales. La distancia máxima de acoplamiento entre los electrones del par de Cooper es llamada longitud de coherencia.
Además, los experimentos sugerían que en los superconductores clásicos hay una brecha de energías electrónicas no permitidas por causa del acoplamiento de los electrones, llamada gap superconductor. 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 está prohibido, por las leyes de la mecánica cuántica, desplazarse por encima de un cierto valor de velocidad. El gran triunfo de la teoría bcs fue probar que el gap es 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 pueden escribir en función del tamaño del gap. Efectivamente, si se aplica un campo magnético a un superconductor, se necesita que aquel sea bastante grande para que los electrones ganen mucha energía y puedan saltar la zona prohibida, lo que provoca que los pares se rompan y desaparezca la superconductividad. Por estas investigaciones, John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer recibieron el Premio Nobel de Física en 1972.
Debido a la falta de comunicación entre científicos soviéticos y estadounidenses durante la Guerra fría, Bardeen, Cooper y Schrieffer no tuvieron conocimiento de la teoría de Ginzburg y Landau, por lo que ambas teorías se desarrollaron de manera independiente. Más tarde, Nikolai Bogolyubov y Lev Gor’kov demostraron que la teoría de Ginzburg y Landau se puede deducir de la teoría bcs cerca de la temperatura crítica.
Tipos de superconductores
Los científicos estaban convencidos de que todos los superconductores se regían de la misma manera en presencia de campos magnéticos. Se sabía que la superconductividad desaparece en presencia de campos magnéticos por encima de cierto valor denominado campo crítico y que el valor de éste depende de la temperatura. Así, las muestras se podían encontrar en el estado superconductor o en el estado normal, según los valores de campo magnético y de temperatura. Hoy en día se califica a los materiales que tienen este comportamiento como superconductores de tipo I.
En el mismo año que se propuso la teoría bcs, Alexei Abrikosov predijo la posibilidad de que en algunos superconductores existiera un estado mixto donde el material siguiera siendo superconductor, pero que permitiera el paso a algunas líneas del campo magnético a través de vórtices, es decir que no fuese un diamagneto perfecto. Estos superconductores se denominaron de tipo II. En presencia de una corriente, los vórtices pueden crear una resistencia por lo que el superconductor ya no sería tampoco un conductor perfecto. Abrikosov y Ginzburg ganaron, por tales trabajos, el Premio Nobel de Física en el año 2003.
Se conocen sólo dos clases de superconductores: tipo I y tipo II. Muestras muy puras de plomo, mercurio y estaño son ejemplos de superconductores de tipo I, ya que son materiales muy puros y presentan campos críticos muy bajos que son útiles en las diferentes aplicaciones.
Los superconductores cerámicos de altas temperaturas críticas como YBa2Cu3O7 y Bi2CaSr2Cu2O9 son de tipo II, los cuales poseen dos campos críticos, como lo explicó Abrikosov: por debajo del primero, el superconductor expulsa todas las líneas de campo magnético; para campos externos comprendidos entre ambos campos críticos, las líneas de campo comienzan a penetrar el material; y por encima del segundo, la superconductividad desaparece.
Cuando la muestra se encuentra entre ambos campos críticos, se dice que el material se encuentra en estado mixto, con partes del material en estado normal y partes en estado superconductor; aquí el campo magnético penetra el superconductor en puntos llamados vórtices; los campos magnéticos débiles se repelen y se desplazan conformando un patrón ordenado llamado red de vórtices. Los superconductores de tipo II presentan valores mucho más grandes para el segundo campo crítico, por lo que se pueden utilizar en diferentes aplicaciones.
El estado de superconductividad se define entonces por varios factores muy importantes: temperatura crítica, campos magnéticos críticos y densidad de corriente crítica, longitud de coherencia, longitud de penetración del campo magnético y valor del gap. Cada uno de estos parámetros tiene expresiones matemáticas donde se muestra la dependencia de los otros. La permanencia en el estado superconductor exige que el campo magnético, la densidad de corriente y la temperatura tengan valores por debajo de estos valores críticos.
Propiedades microscópicas
Hasta aquí hemos hablado de las propiedades macroscópicas de los superconductores, que se refieren esencialmente a la ausencia de resistencia y al efecto Meissner. Ahora mencionaremos, como parte de las propiedades microscópicas, el efecto túnel, que es del dominio de la mecánica cuántica y se presenta cuando los electrones atraviesan regiones prohibidas en la física clásica.
En 1960, Ian Giaever, de origen noruego, descubrió el efecto túnel en una unión metal-aislante-superconductor, lo que permitió medir el gap superconductor. En 1962 Josephson descubrió que los pares de Cooper pueden pasar por obra del efecto túnel entre dos superconductores, incluso sin diferencia de potencial entre ellos, dando lugar a la densidad de supercorriente. Las uniones Josephson se utilizan en los voltímetros y magnetómetros más sensibles del mundo, llamados squids, que son la base para los magnetoencefalogramas que registran la actividad del cerebro y permiten el diseño de computadoras más pequeñas y más rápidas. Giaver y Josephson ganaron el Premio Nobel de Física en 1973.
William Little de la Universidad de Stanford, propuso en 1964, la posibilidad de superconductores de baja dimensionalidad, con la idea de “fabricar un camino para los pares de Cooper”, sugiriendo hacerlo en muestras orgánicas. El primero de éstos fue sintetizado con éxito en 1980 por el investigador de origen danés Klaus Bechgaard, de la Universidad de Copenhague, y los franceses Denis Jérome, Alain Mazaud y M. Ribault, del Laboratorio de física de sólidos de la Universidad de París en Orsay. Ellos encontraron que las muestras de (tmtsf)2pf6 son superconductoras a 1.2 K. Su simple existencia planteó la posibilidad de visualizar otras moléculas superconductoras.
Hoy día existe un gran número de materiales que se pueden describir como superconductores orgánicos, entre otras, las sales Bechgaard, las sales Fabre (bedt-ttf) y las k-bedt-ttf2X-bets2X y bedt-ttf (bisetileneditio-tetratiafulvaleno).
La carrera por las altas temperaturas
La historia de la superconductividad podría haberse quedado ahí, con la explicación dada por la teoría bcs, que predecía una temperatura crítica de un máximo del orden de 30 K. Sin embargo, en 1986, dos investigadores del Laboratorio ibm, George Bednorz y Alexander Müller, encontraron evidencia de superconductividad a una temperatura cercana a 35 K: una nueva familia de superconductores acababa de nacer. Siete meses más tarde, Paul Ching-Wu Chu consiguió subir la temperatura crítica por encima del punto de ebullición del nitrógeno en muestras de YBaCuO que presentaban superconductividad a 92 K.
Así vio la luz una nueva generación de superconductores constituidos, entre otros materiales, de cobre y oxígeno: los cupratos. Los compuestos con itrio y titanio sobrepasaron la temperatura del nitrógeno líquido (77 K, es decir, –196 °C). Esto es importante por razones económicas, ya que el nitrógeno líquido cuesta diez veces menos que el helio líquido. El compuesto con titanio alcanzó una temperatura crítica de 125 K.
El descubrimiento de Bednorz y Müller suscitó el entusiasmo de toda la comunidad científica y comenzó la carrera hacia el descubrimiento de nuevos superconductores de alta temperatura crítica; evidentemente, el anhelo es encontrar un superconductor a temperatura ambiente. No obstante, la fabricación de los superconductores, salvo algunas pocas excepciones, es difícil y, conforme aumenta la temperatura crítica de los superconductores, más difícil es fabricarlos, mientras la corriente que circula sin oposición es cada vez más débil. El récord de temperatura crítica reproducible se alcanzó en 1995 en compuestos con talio y fue de 164 K.
Nuevos descubrimientos
En 2001 se encontró que muestras con impurezas de adn presentaban superconductividad y, en agosto del mismo año, un grupo de investigadores de Laboratorios Bell descubrió superconductividad en muestras de polímeros con impurezas metálicas a una temperatura crítica de 4 K.
Siete años más tarde, en 2008 un equipo de científicos japoneses encontró una familia de superconductores, constituidos por capas de hierro y arsénico, con temperatura crítica máxima de 56 K. Aquí lo destacable es la presencia de hierro, ya que no se esperaba que un elemento magnético pudiera estar presente en un compuesto superconductor.
Desde el descubrimiento de la superconductividad a alta temperatura han existido grupos de investigación que afirman haber encontrado superconductividad a temperatura ambiente. Desgraciadamente, estos resultados no han podido repetirse ni ser confirmados, y tanta es la necesidad de encontrar un superconductor a temperatura ambiente que tales intentos han sido bautizado como osnis: Objetos Superconductores No Identificados.
A casi treinta años del descubrimiento de Bednorz y Müller, la superconductividad de los nuevos sistemas es altamente compleja y los mecanismos que la rigen no están totalmente dilucidados. Las temperaturas críticas son ciertamente más elevadas que las predichas por la teoría bcs, sin embargo, la superconductividad de los nuevos compuestos no está descrita de manera satisfactoria por esta teoría. Dado que todavía carecemos de una teoría predictiva y todos los años se descubren materiales con propiedades interesantes que no se explican con la teoría convencional, la superconductividad es un campo vivo con una intensa actividad científica.
La carrera por alcanzar la temperatura crítica más alta menguó debido a la incomprensión de la superconductividad a nivel atómico. De modo que los científicos han orientado sus esfuerzos a la búsqueda de la comprensión de los fenómenos físicos que la rigen. A pesar de estos inconvenientes existen laboratorios en el mundo que no cejan su búsqueda de superconductores a temperatura ambiente.
La superconductividad es un fenómeno cuyo descubrimiento y comprensión se estableció a lo largo del siglo XX, permitiendo durante estos cien años la atribución de por lo menos cuatro Premios Nobel. La comunidad científica cree que el entendimiento cabal del fenómeno se dará en el presente siglo. Además, cuando se encuentre su explicación, las aplicaciones ya no quedarán restringidas al campo de la física de sólidos o de materiales, éstas enriquecerán también otras áreas del conocimiento, desde la astrofísica hasta la física nuclear.
Algunas aplicaciones
Actualmente, las aplicaciones de los superconductores son numerosas. Podemos encontrar superconductores en la fabricación de bobinas de campos intensos, en equipos médicos de imagen, en medición de campos magnéticos o en dispositivos de transporte de corriente. Por ejemplo, en Estados Unidos la compañía Nexans fabricó 610 metros de cable superconductor para remplazar las líneas eléctricas, normalmente hechas de cobre.
Evidentemente el interés tecnológico de los superconductores está a la alza, independientemente de las limitaciones que se quieren contrarrestar. Sin embargo, las pérdidas de corriente están igualmente presentes en la industria eléctrica convencional. Lo ideal sería encontrar superconductores a temperatura ambiente, pero el gran inconveniente sigue siendo la inversión económica, tanto en el desarrollo tecnológico como en los fondos que se requieren para la investigación básica. No obstante, aunque el uso mayor de superconductores requiera bajas temperaturas, se han encontrado numerosas y útiles aplicaciones en medicina, ingeniería y electrónica (ver recuadro).
Para concluir, podemos decir que la historia de la superconductividad muestra tanto el desarrollo de nuevos materiales como las investigaciones que llevan a la comprensión de los fenómenos que los rigen, pero además exhibe la posibilidad de hacer la vida más fácil y a veces más agradable, aunado al placer personal que da el entendimiento.
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Referencias Bibliográficas
Alario Franco, Miguel Ángel y José Luis Vicent. 1991. Superconductividad. Eudema Universidad, Madrid.
______. 1998. “Los materiales: de las cerámicas a los superconductores, pasando por los diamantes”, en Horizontes culturales: las fronteras de la ciencia, Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Espasa Calpe, Madrid. Pp. 247-262. Dahl, Per Fridtjof. 1992. Superconductivity. American Institute of Physics, Nueva York. Klein, Jean y Sven Ortoli. 1989. Histoire et légends de la supraconduction. Calman-Lévy, París. Lynton, Ernest A. 1971. Superconductivity. Science Paperbacks, Londres. Mendelssohn, K. 1965. La búsqueda del cero absoluto. Mc-Graw-Hill, Nueva York. Schrieffer, J. R. 1974. “Entrevista con J. Warnow y R. M. Williams”, 26 de septiembre. Tinkham, Michael. 1975. Introduction to Superconductivity. McGraw-Hill, Nueva York. De la red
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Andrea L. Aburto E.
Facultad de Ciencias,
Universidad Nacional Autónoma de México.
Andrea Aburto realizó sus estudios de licenciatura y de maestría en la Facultad de Ciencias de la UNAM e hizo su doctorado en la Universidad París Sur en Orsay en el Laboratorio de Física del Estado Sólido. Desde 1998, ha sido profesora de la Facultad de Ciencias. Su área de especialidad es la física de bajas temperaturas y la estructura electrónica de sólidos.
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cómo citar este artículo →
Aburto E., Andrea L. 2015. Superconductividad del hallazgo de Leiden a nuestros días. Ciencias, núm. 117, julio-septiembre, pp. 38-46. [En línea].
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