SUPERCONDUCTORESSUPERCONDUCTORES

¿¿Qué es la superconductividad ?Qué es la superconductividad ?

Se denomina superconductividad a la capacidad intrínseca que poseen ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía 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, normalmente, no ocurre en metales nobles como el cobre y la plata, ni en la mayoría de los metales ferromagnéticos. Pero en ciertos

casos, el oro se clasifica como superconductor; por sus funciones y los mecanismos aplicados.

¿Cuando y por quien fue descubierta?¿Cuando y por quien fue descubierta?

Su descubrimiento se remonta a principios del siglo XX, en 1911, y está íntimamente ligado a la obtención de muy bajas temperaturas (cercanas al cero absoluto) en el laboratorio. Fue el doctor H. K. Onnes (quien nació en 1856 y murió en 1926), de la Universidad de Leyden, Holanda, su descubridor. El doctor Onnes obtuvo el premio Nobel de Física en 1913 "por sus investigaciones de las propiedades de la materia a bajas temperaturas que condujeron, entre otras cosas, a la producción de helio líquido". Había logrado, en 1908, licuar el helio y este hecho lo llevó a su descubrimiento de la superconductividad en el mercurio al enfriarlo a la temperatura del helio líquido (-269°C, aproximadamente).

No fue sino hasta 1957 que pudo entenderse el origen del fenómeno, al menos en lo que respecta a lo que ahora conocemos como superconductores convencionales (para distinguirlos de los descubiertos más recientemente, los superconductores cerámicos), cuando. J. Bardeen (fallecido en 1991), L. Cooper y R. Schrieffer enunciaron su teoría de la superconductividad, que ahora se conoce como teoría BCS, en su honor. A Bardeen

¿Como obtener materiales ¿Como obtener materiales superconductores?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.

ClasificaciónClasificación

Los superconductores se pueden clasificar en función de:

Su comportamiento físico, pueden ser de tipo I (con un cambio brusco de una fase a otra, o en otras palabras, si sufre un cambio de fase de primer orden) o de tipo II (si pasan por un estado mixto en que conviven ambas fases, o dicho de otro modo, si sufre un cambio de fase de segundo orden).

La teoría que los explica, llamándose convencionales (si son explicados por la teoría BCS) o no convencionales (en caso contrario).

Su temperatura crítica, siendo de alta temperatura (generalmente se llaman así si se puede alcanzar su estado conductor

enfriándolos con nitrógeno líquido, es decir, si Tc > 77K), o de baja

temperatura (si no es así).

El material de que están hechos, pudiendo ser elementos puros (como el mercurio o el plomo), superconductores orgánicos (si están en forma de fulerenos o nanotubos, lo cual los podría incluir en cierto modo entre los elementos puros, ya que están hechos de carbono), cerámicas (entre las que destacan las del grupo YBCO y el diboruro de magnesio) o aleaciones.

Comportamiento magnético de los Comportamiento magnético de los superconductoressuperconductores..

Aunque la propiedad más sobresaliente de los Aunque la propiedad más sobresaliente de los superconductores es la ausencia de resistencia, superconductores es la ausencia de resistencia, lo cierto es que no podemos decir que se trate lo cierto es que no podemos decir que se trate de un material de conductividad infinita, ya que de un material de conductividad infinita, ya que este tipo de material por si solo no tiene sentido este tipo de material por si solo no tiene sentido termodinámico. En realidad, un material termodinámico. En realidad, un material superconductor es perfectamente diamagnético. superconductor es perfectamente diamagnético. Esto hace que Esto hace que no permite que penetre el no permite que penetre el campo o las líneas de flujo magnético, lo que campo o las líneas de flujo magnético, lo que se conoce como Efecto Meissnerse conoce como Efecto Meissner..

Cuando a un superconductor aplicamos un campo Cuando a un superconductor aplicamos un campo magnético externo débil, lo repele perfectamente, si lo magnético externo débil, lo repele perfectamente, si lo aumentamos, el sistema se vuelve inestable y prefiere aumentamos, el sistema se vuelve inestable y prefiere introducir vórtices para disminuir su energía. Estos van introducir vórtices para disminuir su energía. Estos van aumentando en número colocándose en redes de aumentando en número colocándose en redes de vórtices que pueden ser observados mediante técnicas vórtices que pueden ser observados mediante técnicas adecuadas. Cuando el campo magnético es adecuadas. Cuando el campo magnético es suficientemente alto, el número de defectos es tan alto suficientemente alto, el número de defectos es tan alto que el material deja de ser superconductor. Este es el que el material deja de ser superconductor. Este es el campo crítico que hace que un material deje de ser campo crítico que hace que un material deje de ser superconductor y que depende de la temperatura.superconductor y que depende de la temperatura.

DiamagnetismoDiamagnetismo

El efecto Meissner, también denominado efecto Meissner-Ochsenfeld, consiste en la desaparición total de campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica.

Fue descubierto por Walter Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933. Un material superconductor se convierte en un material diamagnético perfecto, de modo que el campo magnético en su interior se anula completamente. Dado que el campo magnético es solenoidal, es decir, todas las líneas de campo son cerradas, el campo magnético se curva hacia el exterior del material.

La expulsión del campo magnético del material superconductor posibilita la formación de efectos curiosos, como la levitación de un imán sobre un material superconductor a baja temperatura.

Efecto Meissner

El efecto Meissner, también denominado efecto Meissner-Ochsenfeld, consiste en la desaparición total de campo magnético en el interior de un material superconductor por debajo de su temperatura crítica.

Fue descubierto por Walter Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933. Un material superconductor se convierte en un material diamagnético perfecto, de modo que el campo magnético en su interior se anula completamente. Dado que el campo magnético es solenoidal, es decir, todas las líneas de campo son cerradas, el campo magnético se curva hacia el exterior del material.

La expulsión del campo magnético del material superconductor posibilita la formación de efectos curiosos, como la levitación de un imán sobre un material superconductor a baja temperatura.

Comportamiento eléctrico de los Comportamiento eléctrico de los superconductores.superconductores.

La aparición del supe diamagnetismo es debida a la capacidad del La aparición del supe diamagnetismo es debida a la capacidad del material de crear supe corrientes. Estas son corrientes de material de crear supe corrientes. Estas son corrientes de electrones que no disipan energía, de manera que se pueden electrones que no disipan energía, de manera que se pueden mantener eternamente sin observar el efecto Joule, de pérdida de mantener eternamente sin observar el efecto Joule, de pérdida de energía por generación de calor. Las corrientes crean el intenso energía por generación de calor. Las corrientes crean el intenso campo magnético necesario para sustentar el efecto Meissner. campo magnético necesario para sustentar el efecto Meissner.

Estas mismas corrientes, permiten transmitir energía sin gasto Estas mismas corrientes, permiten transmitir energía sin gasto energético, lo que representa el efecto más espectacular de este energético, lo que representa el efecto más espectacular de este tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones tipo de materiales. Debido a que la cantidad de electrones superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede superconductores es finita, la cantidad de corriente que puede soportar el material es limitada. Por lo tanto, existe una corriente soportar el material es limitada. Por lo tanto, existe una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y comienza a disipar energíacomienza a disipar energía

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

Los superconductores de alta Los superconductores de alta temperatura.temperatura.

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

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

Aplicaciones de los Aplicaciones de los superconductoressuperconductores..

Los imanes superconductores, son algunos de los Los imanes superconductores, son algunos de los electroimanes más poderosos conocidos. Se utilizan en electroimanes más poderosos conocidos. Se utilizan en los trenes maglev.los trenes maglev.

en máquinas para la resonancia magnética en máquinas para la resonancia magnética nuclear en hospitales nuclear en hospitales

y en el direccionamiento del haz de un acelerador de y en el direccionamiento del haz de un acelerador de partículas. También pueden utilizarse para la separación partículas. También pueden utilizarse para la separación magnética, en donde partículas magnéticas débiles se magnética, en donde partículas magnéticas débiles se extraen de un fondo de partículas menos o no extraen de un fondo de partículas menos o no magnéticas, como en las industrias de pigmentos. magnéticas, como en las industrias de pigmentos.

Los superconductores se han utilizado Los superconductores se han utilizado también para hacer circuitos digitales y también para hacer circuitos digitales y filtros de radiofrecuencia y microondas filtros de radiofrecuencia y microondas para estaciones base de telefonía móvil.para estaciones base de telefonía móvil.

Los superconductores se usan para construir uniones Los superconductores se usan para construir uniones Josephson, que son los bloques de construcción de los Josephson, que son los bloques de construcción de los SQUIDs, (dispositivos superconductores de interferencia SQUIDs, (dispositivos superconductores de interferencia cuántica), los magnetómetros conocidos más sensibles. cuántica), los magnetómetros conocidos más sensibles. Una serie de dispositivos Josephson se han utilizado Una serie de dispositivos Josephson se han utilizado para definir el voltio en el Sistema Internacional (S. I), En para definir el voltio en el Sistema Internacional (S. I), En función de la modalidad de funcionamiento, un cruce de función de la modalidad de funcionamiento, un cruce de Josephson, se puede utilizar como detector de fotones o Josephson, se puede utilizar como detector de fotones o como mezclador. El gran cambio en la resistencia en la como mezclador. El gran cambio en la resistencia en la transición del estado normal al estado superconductor transición del estado normal al estado superconductor se utilizan para construir termómetros en detectores de se utilizan para construir termómetros en detectores de fotones criogénicos. fotones criogénicos.

Están apareciendo nuevos mercados donde la relativa Están apareciendo nuevos mercados donde la relativa eficiencia, el tamaño y el peso de los dispositivos basados eficiencia, el tamaño y el peso de los dispositivos basados en los superconductores de alta temperatura son en los superconductores de alta temperatura son superiores a los gastos adicionales que ellos suponen. superiores a los gastos adicionales que ellos suponen. Aplicaciones futuras prometedoras incluyen: Aplicaciones futuras prometedoras incluyen: transformadores de alto rendimiento, dispositivos de transformadores de alto rendimiento, dispositivos de almacenamiento de energía, la transmisión de energía almacenamiento de energía, la transmisión de energía eléctrica, motores eléctricos (por ejemplo, para la eléctrica, motores eléctricos (por ejemplo, para la propulsión de vehículos como los trenes maglev), y propulsión de vehículos como los trenes maglev), y dispositivos de levitación magnética.dispositivos de levitación magnética.

Sin embargo, la superconductividad, es sensible a los Sin embargo, la superconductividad, es sensible a los campos magnéticos en movimiento, de modo que las campos magnéticos en movimiento, de modo que las aplicaciones que usan corriente alterna (por ejemplo los aplicaciones que usan corriente alterna (por ejemplo los transformadores) serán más difíciles de elaborar que las transformadores) serán más difíciles de elaborar que las que dependen de corriente directa.que dependen de corriente directa.

TEORÍATEORÍAsi bien el fenómeno de la superconductividad es un tema abierto en física, en la actualidad hay dos enfoques fundamentales: el microscópico o mecano cuántico (basado en la teoría bcs) y el macroscópico o fenomenológico (en el cual se centra la teoría ginzburg-landau.

1) TEORÍA BCS

La teoría microscópica más aceptada para explicar los superconductores es la Teoría BCS, presentada en 1957. La superconductividad se puede explicar cómo una aplicación del Condensado de Bose-Einstein. Sin embargo, los electrones son fermiones, por lo que no se les puede aplicar esta teoría directamente. La idea en la que se basa la teoría BCS es que los electrones se aparean formando un par de fermiones que se comporta como un bosón. Esta pareja se denomina par de Cooper y su enlace está justificado en las interacciones de los electrones entre sí mediada por la estructura cristalina del material.

2) |TEORÍA GINZBURG-LANDAU

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.

Esta teoría predice mucho mejor las propiedades de sustancias inhomogéneas, ya que la teoría BCS es aplicable únicamente si la sustancia es homogénea, es decir, si la energía de la banda prohibida es constante en el espacio. Cuando la sustancia es inhomogénea, el problema puede ser intratable desde el punto de vista microscópico.

La teoría se fundamenta en un cálculo variacional en el que se trata de minimizar la energía libre de Helmholtz con respecto a la densidad de electrones que se encuentran en el estado superconductor. Las condiciones para aplicar la teoría son:

las temperaturas manejadas tienen que estar cerca de la temperatura crítica, dado que se fundamenta en un desarrollo en

serie de Taylor alrededor de Tc.

La pseudofunción de onda Ψ, así como el potencial vector , tienen que variar suavemente.

Esta teoría predice dos longitudes características:

longitud de penetración: es la distancia que penetra el campo magnético en el material superconductor

longitud de coherencia: es el tamaño aproximado del par de Cooper