Supermagnetismo

Superconductores

Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia y pérdida de energía nulas en determinadas condiciones.

La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce. Sin embargo, en los conductores ordinarios, como el cobre y la plata, las impurezas y otros defectos producen un valor límite. Incluso cerca de cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. Una corriente eléctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación. Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica.

La superconductividad ocurre en una gran variedad de materiales, incluyendo elementos simples como el estaño y el aluminio, diversas aleaciones metálicas y algunos semiconductores fuertemente dopados. La superconductividad no ocurre en metales nobles como el oro y la plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos.

Aunque la propiedad más sobresaliente de los superconductores es la ausencia de resistencia, lo cierto es que no podemos decir que se trate de un material de conductividad infinita, ya que este tipo que este tipo de material por sí sólo no tiene sentido termodinámico. En realidad un material superconductor es perfectamente diamagnético. Esto hace que no permita que penetre el campo, lo que se conoce como efecto Meissner.

Materiales Superconductores

Debido a las bajas temperaturas que se necesitan para conseguir la superconductividad, los materiales más comunes se suelen enfriar con helio líquido (el nitrógeno líquido sólo es útil cuando se manejan superconductores de alta temperatura). El montaje necesario es complejo y costoso, utilizándose en muy contadas aplicaciones como, por ejemplo, la construcción de electroimanes muy potentes para resonancia magnética nuclear.

Sin embargo, en los años 80 se descubrieron los superconductores de alta temperatura, que muestran la transición de fase a temperaturas superiores a la transición líquido-vapor del nitrógeno líquido. Esto ha abaratado mucho los costos en el estudio de estos materiales y abierto la puerta a la existencia de materiales superconductores a temperatura ambiente, lo que supondría una revolución en la industria del siglo XXI.

La mayor desventaja de estos materiales es su composición cerámica, lo que lo hace poco apropiado para fabricar cables mediante deformación plástica, el uso más obvio de este tipo de materiales. Sin embargo se han desarrollado técnicas nuevas para la fabricación de cintas como IBAD (deposición asistida mediante haz de iones). Mediante esta técnica se han logrado cables de longitudes mayores de 1 kilómetro.

Si el mercurio se enfría por debajo de 4,1ºK, pierde toda su resistencia eléctrica. Este descubrimiento de la superconductividad por H.

Kammerlingh Onnes en 1911 fue seguido por la observación de otros metales que exhiben resistividad cero por debajo de una cierta temperatura crítica.

El hecho de que la resistencia es cero, ha sido demostrada por el sostenimiento de corrientes en anillos de plomo superconductores durante muchos años, sin una reducción medible. Una corriente inducida en un anillo de metal ordinario decaería rápidamente por la disipación en la resistencia a la corriente, pero los anillos superconductores habían mostrado una constante de decaimiento de más de mil millones de años.

Una de las propiedades de un superconductor, es que se excluyen los campos magnéticos, un fenómeno llamado el efecto Meissner.

La desaparición de la resistividad eléctrica, se modeló en términos de emparejamiento de electrones en la red cristalina por John Bardeen, Leon Cooper, y Robert Schrieffer en lo que comunmente se llama la teoría BCS.

En 1986 se inició una nueva era en el estudio de la superconductividad, con el descubrimiento de los superconductores de alta temperatura crítica.

NO CONVENCIONALES

En 1979 se descubrió superconductividad en un compuesto que contenía electrones que se comportaban como momentos magnéticos. Este descubrimiento fue una sorpresa porque por regla general las impurezas magnéticas destruyen la superconductividad, debido a los campos magnéticos que generan. En los años siguientes se descubrieron otros materiales con propiedades similares. En 1986 se produjo una auténtica revolución al descubrirse superconductividad de alta temperatura en óxidos de cobre, que más recientemente se ha medido también en materiales de hierro.

La mayoría de los superconductores no convencionales se caracterizan por presentar una fuerte repulsión entre los electrones y una gran variedad de fases cuánticas, algunas de las cuales aún no están bien identificadas. Se cree que la teoría de vibraciones de la red de átomos no puede explicar la superconductividad en estos materiales y que la fuerte repulsión influye de alguna forma en su aparición.

La existencia de superconductividad que no se originara en las vibraciones de red ya fue postulada en la década de 1960. Entre las propuestas para mediar la atracción entre los electrones se incluyen fluctuaciones magnéticas (antiferromagnéticas o ferromagnéticas) y oscilaciones del plasma de electrones (plasmones), entre otros. No existe consenso en el origen de la superconductividad en estos sistemas. Las teorías de fluctuaciones magnéticas gozan de bastante aceptación ya que en la mayoría de los superconductores no convencionales la superconductividad aparece cuando se suprime una fase magnética. En algunos casos superconductividad y magnetismo incluso coexisten.

El parámetro de orden que caracteriza la superconductividad en los superconductores no convencionales presenta interesantes propiedades de simetría que dan información sobre el origen de la superconductividad en estos materiales.

CONVENCIONALES

La superconductividad se descubrió en 1911 en mercurio. Junto al mercurio son muchos los materiales y elementos químicos que se vuelven superconductores al bajar la temperatura. Algunos de estos materiales como el plomo, el aluminio o el estaño tienen amplia presencia en nuestra vida cotidiana.

Los llamados superconductores convencionales se entienden desde que en 1957 Bardeen, Cooper y Schrieffer propusieran su teoría BCS. Además de proponer que los electrones formaban parejas y que estas parejas se coordinaban entre ellas, nos explicaron que la formación de parejas se debía a la interacción entre los electrones y la red de átomos. Que la superconductividad sea debida a las vibraciones de la red de átomos es la característica fundamental de los llamados superconductores convencionales.

Las temperaturas críticas de los superconductores son bastante bajas. A modo de ejemplo la temperatura crítica del aluminio (-271,81º C) sólo está 1,19 grados por encima del cero absoluto de temperatura, la del estaño (-269,28º C) y el plomo (-265,81ºC) están respectivamente 3,72 grados y 7,19 grados por encima del cero de temperatura. Algunas aleaciones de estaño tienen temperaturas críticas algo superiores, entre -255º y -250º C, y se usan bastante en la fabricación de imanes.

Diboruro de Magnesio

En marzo de 2001, Jun Akimitsu y sus colegas de Aoyama-Gakuin en Tokio, Japón, informaron de una temperatura de transición superconductora de 39 grados Kelvin para el diboruro de magnesio.

Esto ha generado una gran expectación, no sólo porque esta es la temperatura de transición más alta observada hasta ahora para unsuperconductor de tipo II, sino también porque los materiales utilizados son muy comunes.

Habrá un gran interés en si el material puede ser utilizado para formar hilos. Si sus propiedades mecánicas se pueden manejar, podría contribuir significativamente para fabricar imanes superconductores. Sergey L. Bud'ko y sus colegas en Iowa State University han formado cables de ese material. Ellos observaron elefecto isótopo en este superconductor, lo que sugiere que sigue el comportamiento de otros superconductores convencionales. El efecto isótopo es una firma de interacción con la red cristalina a través de fonones, y es una indicación de que el superconductor puede actuar de acuerdo con la teoría BCS de la superconductividad.

Plutonio Superconductor

El compuesto de plutonio PuCoGa5 se ha encontrado que es un superconductor, con una temperatura crítica alrededor de 18ºK.

Gregory Stewart de la Universidad de Florida y John Sarrao y colegas en Los Alamos National Laboratory informaron de este inesperado superconductor en la revista Nature.

Superconductor de tipo I

Comportamiento típico de un superconductor de tipo I en presencia de un campo magnético.

Los superconductores de tipo I son superconductores que en presencia de un campo magnético establecen corrientes superficiales que impiden que dicho campo penetre en el material; este fenómeno se conoce como efecto Meissner.

Fueron los primeros superconductores en ser descubiertos, y su comportamiento está ampliamente explicado dentro del marco de la teoría BCS, propuesta en 1957.

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