¿Qué son los Superconductores?
Fenomenología de los superconductores
Los conductores normales presentan pérdidas cuando circulan corrientes en su interior. Esto se debe a que la resistencia que poseen al paso de una corriente eléctrica, transforma parte de la energía eléctrica en energía térmica. Sin embargo, algunos materiales se comportan de forma extraña a muy bajas temperaturas. Estos materiales, denominados "superconductores", cuando son sometidos a una temperatura mayor que una cierta temperatura crítica (diferente para cada material) presentan alta resistencia, por lo general mucho mayor que un conductor normal y de esta manera decimos que el material se encuentra en su "estado normal". Por el contrario, por debajo de la temperatura crítica presentan un fenómeno en el cual la resistencia eléctrica disminuye rápidamente hasta llegar a cero, decimos entonces que el material se encuentra en su "estado superconductor". Otra de las propiedades que caracteriza a estos materiales es la expulsión de campo magnético en el estado de superconducción conocida más comúnmente como el Efecto Meissner. Esta última es la propiedad esencial del estado superconductor.
Cuando el material pasa del estado normal al estado superconductor, el cambio en la resistividad puede ser muy abrupto y se produce lo que en física se denomina "cambio de fase". Si miramos el material a una temperatura mayor que la crítica, encontraremos propiedades marcadamente distintas a las que veremos a temperaturas menores que la crítica.
Existen varios tipos de cambios de fase como por ejemplo el cambio de fase que se produce cuando enfriamos un recipiente con agua: si llegamos a enfriarlo lo suficiente (por debajo de 0ºC), veremos que el agua simplemente se congela. Las propiedades del agua a 25ºC y a -10ºC son claramente diferentes. Algo parecido ocurre en el cambio de fase superconductor, solo que las propiedades que cambian en la transición son propiedades eléctricas y magnéticas, y no propiedades estructurales como en el ejemplo del agua. Es más, para el caso de los metales que al enfriarlos se vuelven superconductores, se sabe que en la transición no hay cambio en la estructura cristalina ni en las propiedades elásticas del material.
Las propiedades que cambian en la transición del estado normal al estado superconductor son principalmente las propiedades magnéticas. En el estado superconductor puro prácticamente no hay penetración de flujo magnético en el material y los efectos termoeléctricos desaparecen.
Se han encontrado diferentes materiales que se vuelven superconductores por enfriamiento, cada uno a su temperatura crítica propia. Algunas temperaturas críticas son de apenas unos pocos grados Kelvin (recordar que 0ºK corresponde a -273ºC), implicando un esfuerzo tecnológico importante el acceder a tan bajas temperaturas; en los últimos años ha sido posible diseñar materiales cuyas temperaturas críticas rondan las decenas de grados Kelvin, lo que en cierta medida facilita su estudio y utilización.
Hay fundamentalmente dos razones por las que estos materiales despiertan tanto interés. La primera es de índole económica. Para hacer uso de las propiedades superconductoras de un material hay que enfriarlo por debajo de una temperatura crítica. Cuanto más baja sea la temperatura a la que se deba trabajar, mayores serán los costos de refrigeración. Si para alcanzar el estado de superconductividad debe operarse a temperaturas inferiores a los 20 K, es necesario emplear helio líquido. A temperaturas más altas se puede trabajar con hidrógeno, pero por encima de 80 K se puede usar aire líquido, uno de los materiales refrigerantes más baratos que existen. Cuando se superen ciertos inconvenientes de carácter técnico, los nuevos superconductores se podrán emplear a escala industrial sin mayores costos de refrigeración.
Pero hay una segunda razón por la que los físicos están interesados en estos materiales. Hoy, después de algo más de un año de trabajo, hay una generalizada convicción de que se está frente a un nuevo fenómeno físico. La teoría que consiguió explicar el comportamiento de lo que podemos llamar "superconductividad convencional", no puede hacerlo propio con la superconductividad a temperaturas tan altas. Los mecanismos que dan origen a la superconductividad en estos nuevos materiales son probablemente distintos a los conocidos. Si esto es así, los físicos se encuentran frente a un gran desafío: comprender y explicar a qué se debe la superconductividad de alta temperatura critica.
¿Para que se usa un Superconductor?
Antes de realizar una descripcion de los usos actuales y futuros de los superconductores les recomiendo que vean el siguiente video donde se realiza una interesante demostración del uso de los mismos en trenes magnéticos.
Hasta ahora, la principal utilidad de un superconductor es la producción de campos magnéticos muy intensos (del orden de miles de veces del campo magnético del imán de la heladera). Estos campos tienen importantes aplicaciones en medicina (RMN), frenos magnéticos, aceleradores, etc. Por otro lado, los campos magnéticos intensos son necesarios para controlar los reactores de fusión nuclear, aún experimentales, que serían una forma alternativa de producción de energía no contaminante. Además, la posibilidad de tener materiales con resistencia nula permitiría almacenar eficientemente energía eléctrica.
La aplicación más importante por el momento es la producción de campos magnéticos, que se emplean, principalmente, en los laboratorios de física con fines de investigación. Dentro de la investigación en el campo de la física, también se utilizan electroimanes superconductores para generar campos magnéticos altamente estables, útiles en los estudios de la resonancia magnética nuclear y la microscopía electrónica de alta resolución. Son también utilizados en las cámaras de burbujas que sirven para la detección de partículas y que requieren campos magnéticos muy intensos.
Desde el punto de vista comercial, se cree que los motores y generadores superconductores tendrán enormes consecuencias en lo social y económico. También se desea utilizar electroimanes superconductores para la levitación de trenes de transporte de pasajeros o de carga y a menos que investigaciones futuras indiquen lo opuesto, parece que no existen problemas técnicos fundamentales con este sistema. Sin embargo, se requieren algunas innovaciones técnicas antes de poder completar un diseño comercial.
El descubrimiento de materiales superconductores cerámicos con una elevada temperatura crítica hace aún más atractiva la idea de la utilización de materiales superconductores para la transportación masiva (ver figura). Cuando menos ya no se requerirá enfriar a temperatura de helio líquido, bastará con la refrigeración que proporciona el nitrógeno líquido. Claro que aún sigue la búsqueda de materiales cerámicos superconductores de temperatura crítica superior a la temperatura ambiente y, si se logra hallarlos, ya no será necesaria la refrigeración del sistema, reduciéndose así los costos de construcción y operación.
Por otro lado, desde el descubrimiento del llamado efecto Josephson y el desarrollo alcanzado en el campo de los circuitos integrados trajeron como consecuencia una perspectiva espléndida de aplicaciones de la superconductividad en la electrónica.
El efecto Josephson consiste en el paso de corrientes superconductoras a través de una unión que, normalmente y desde un punto de vista clásico, no debería dejar pasar ningún electrón. Es un fenómeno típicamente cuántico, explicable por la mecánica cuántica.
La corriente Josephson está presente aun en ausencia de un voltaje aplicado a la unión (que recibe el nombre de unión túnel). Esta corriente de voltaje cero depende fuertemente de un campo magnético aplicado. Estas características permiten disponer de un interesante interruptor para circuitos lógicos. Este efecto también se observa, desde luego, en los nuevos materiales superconductores cerámicos.
Para las computadoras, el uso de dispositivos de efecto Josephson lleva a tiempos de transferencia de corriente extremadamente breves. Los tiempos de respuesta de un interruptor de efecto Josephson son de 5 a 10 picosegundos (un picosegundo es igual a 0.000000000001 segundos).
La dificultad de la aplicación del efecto Josephson radica en la elaboración de la unión en donde se da este efecto. Dicha unión ha de construirse con capas de oxido de unos 30 angstroms y, además, las características han de ser estables ante ciclajes térmicos y almacenamiento. Sin embargo, su utilización parece muy ventajosa y polifacética.
El SQUID (dispositivo superconductor de interferencia cuántica, por sus siglas en inglés) es uno de los dispositivos superconductores más utilizados. Existen dos tipos de este dispositivo: el SQUID de corriente directa (cd) y el SQUID de radio frecuencia (rf). Son los instrumentos más sensibles que existen para medir una gran variedad de cantidades físicas: campos magnéticos, cambios espaciales de campos magnéticos, susceptibilidades magnéticas, voltajes muy pequeños y desplazamientos microscópicos.
Aunque, por ahora, es demasiado pronto para que estos dispositivos tengan una gran repercusión en aplicaciones prácticas, dentro de la próxima década se espera un gran auge, tanto en la variedad de estos dispositivos superconductores como en la variedad de sus aplicaciones. Una de las más novedosa es en biomagnetismo, donde se utilizan para detectar espeacialmente las fuentes de los pequeñísimos campos magnéticos generados por el cerebro.
Algunos experimentos realizados en el departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas
Los siguientes videos muestran experimentos realizados por alumnos de la licenciatura de Física de la UNLP. Estos experimentos fueron realizados en la materia Experimentos Cuánticos y en los videos puede verse una pastilla superconductora sometida a un campo magnético.
Premios Nobel de Física relacionados con la superconductividad
1972--John Bardeen (EEUU), Leon Neil Cooper (EEUU),John Robert Schrieffer(EEUU)[1](Link a nobelprize.org)[2]:
Por su contribución al desarrollo de la teoría de los fenómenos en superconductores, conocida como Teoría BCS (Teoría Bardeen-Cooper-Schrieffer).
1973--Leo Esaki (Japon), Ivar Giaever (Noruega), Brian David Josephson (Reino Unido)[3](Link a nobelprize.org)[4]
Por sus descubrimientos experimentales en relación con el efecto túnel en semiconductores y superconductores. Por el descubrimiento del llamado efecto Josephson.
1987--Johannes Georg Bednorz (Alemania), Karl Alexander Müller (Suiza)[5](Link a nobelprize.org)[6]
Por sus descubrimientos revolucionarios de superconductores en materiales cerámicos.
2003--Aleksey Alekséyevich Abrikósov (Rusia), Vitaly L. Ginzburg (Rusia), Anthony J. Leggett (Reino Unido)[7](Link a nobelprize.org)[8]
Por sus contribuciones pioneras a la teoría de los superconductores y superfluidos.
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