Superconductividad

Hola a todos. Me he motivado a escribir sobre un tema de física ya que he visto a mis colegas y estudiantes presentando trabajos sobre física magistralmente, pero no he leído sobre este tema . Espero que les guste.

Superconductividad

¿Qué se entiende por superconductor? En el año 1908 Karmerlingh Onnes logró licuar helio, hecho que ocurre a una temperatura cercana a 1 K. Este evento propició en camino del estudio de fenómenos físicos a bajas temperaturas. Onnes realizó medidas de resistencia de metales variando la temperatura buscando de la respuesta a dos teorías contradictorias: la primera establecía que al bajar la temperatura disminuiría la resistencia y al acercarse al 0 absoluto la resistencia también llegaría a 0, ya que los electrones de conducción no chocarían con los iones que conforman la red del metal (a altas temperaturas los iones de la red son agitados por la energía térmica y esto provoca los choques con los electrones que es lo que genera la resistencia).
La segunda teoría suponía que al bajar la temperatura, los electrones de conducción se congelarían, haciendo que la resistencia se hiciese infinita ya que no habría movimiento de cargas eléctricas.
Sorpresivamente, cuando Onnes experimentaba con mercurio, descubrió que la resistencia se hacía prácticamente nula al llegar a los 4.2 K y no cerca del 0 absoluto como esperaba. El mercurio se había convertido en un conductor perfecto y de ahí salió el término ‘superconductor’.
El esquema experimental de Onnes para medir la resistencia y comprobar si realmente era cero, fue sencilla pero genial: construyó un diseño que consistía de un recipiente de doble pared, al cual se le hacía vacio (para lograr aislamiento térmico), se llenaba de helio líquido. Dentro del recipiente denominado tubo Dewar se encontraba un circuito eléctrico, formado por una bobina y un interruptor de material superconductor. Los extremos del interruptor estaban conectados a una batería mediante dos conductores colocados en la parte exterior de Dewar. También se colocó fuera, una aguja imantada suspendida libremente para que midiera el campo magnético que se generaría al circular corriente eléctrica por el circuito. Al principio del experimento ambos interruptores se encontraban abiertos y obviamente la aguja imantada no registraba ningún campo magnético porque no había ninguna corriente circulando. Después cerró el interruptor normal y la aguja mostró la presencia de un campo magnético. Luego cerró el interruptor superconductor y abrió el normal. A pesar que la batería no estaba suministrando corriente, la aguja imantada no varió. Eso ponía en evidencia que la corriente continuaba circulando generando su campo magnético asociado.

Para Onnes fue un gran logro, ya que fue la manera de fabricar un superiman, pero el gran problema fue que al variar la temperatura, el estado superconductor desaparecía.
Los superconductores son diamagnetos perfectos, esto es, expulsan las líneas de campo de su volumen. Por lo que al colocar un imán sobre una pastilla superconductora esta levitará (se conoce como efecto Meissner).

Esto dio cabida a las inmensas potencialidades de los superconductores. Se construyeron prototipos de trenes superconductores que se veía poco viables (hoy ya existen) por lo costoso que resulta el licuado de helio.

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Otra cosa interesante que no todas las sustancias se convierten en superconductores, y hay una temperatura que es característica que se denomina temperatura crítica o de transición normal-superconductor. Hay también una dependencia con los campos externos, es decir, si un material está en estado superconductor puede ser sacado de ese estado al aplicarle un campo externo y llegar a un valor particular llamado campo magnético crítico.
La parte teórica representó un reto que fue explicado a través de la Teoría BCS en honor a sus creadores Bardeen, Cooper y Schieffer, quienes lograron explicar el fenómeno mediante una cuasi-partícula que llamaron pares de Cooper (pero que es válida solo a muy bajas temperaturas). Un par de Cooper es una pareja de electrones (cargas negativas que deberían repelerse) que se unen por la deformación de la red ( la cual esta ´quieta ´por estar a baja temperatura) que genera una carga negativa y eso la une a la otra carga negativa.
El tema estaba explicado hasta que en la década de los ochenta se revolucionó el area, cuando Bernorz y Muller hallaron superconductividad a ‘altas temperaturas’ (mayores a la temperatura de nitrógeno líquido de unos 74 K a presión atmosférica) en compuestos de IBaCuO (itrio, bario, cobre y oxígeno) . Este es un tema abierto de investigación ya que la teoría BCS no funciona a temperaturas tan altas.
Otro enfoque diferente es mediante la Teoría Ginzburg-Landau, que se centra más en las propiedades macroscópicas que en la teoría microscópica, basándose en la ruptura de simetrías en la transición de fase.
Actualmente hay investigadores desarrollando la teoría de dos bandas para tratar de explicar este fenómeno.
De dichas teorías haré un recuento en una próxima entrega.

Se han revisado estas dos fuentes:
https://es.wikipedia.org/wiki/Superconductividad
La física ciencia revolucionaria en el mundo actual, Walter Maechtle