Superconductividad: conceptos básicos y aplicaciones

Superconductividad

La superconductividad es una expansión de un estado cuántico, en el que los electrones se unen en una onda cuántica, que se amplía por todo el material. Esta propiedad fue descubierta en el año 1911, por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes, quien observó que la resistencia eléctrica del mercurio se desvanecía al enfriarse a 4 Kelvin.

Se trata de una fase que poseen algunos materiales a temperaturas bajas. Además de enfriar el material para lograr mantener un estado superconductor, es fundamental no exceder una corriente crítica ni un campo magnético. En este artículo, se detallarán los conceptos básicos para entender este fenómeno y sus múltiples aplicaciones. Pero antes, es necesario conocer el origen de este descubrimiento.

Origen de la superconductividad

Tiene su origen en el año 1911, cuando el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes observó que el mercurio no tenía resistencia eléctrica por debajo de 4,2 K (-269 °C). Este fenómeno no fue comprendido hasta el año 1933. Cuando los científicos alemanes Karl W. Meissner y R. Ochsenfeld descubren un evidente diamagnetismo en un superconductor.

Superconductividad
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Los principios físicos de la superconductividad surgen en el año 1957, cuando los físicos estadounidenses John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer plantean una teoría conocida actualmente como BCS, por las iniciales de sus apellidos. Gracias a este descubrimiento, estos científicos en el año 1972 recibieron el premio Nobel de física.

Conceptos básicos

Los conceptos básicos, a tener en cuenta para entender el fenómeno de superconductividad son los siguientes:

Materiales superconductores

Los materiales superconductores se dividen en tres grandes grupos:

Elementos

Aproximadamente 25 elementos de la tabla periódica presentan esta propiedad. Casi todos los elementos con estructura cristalina suelen ser superconductores.

Aleaciones, compuestos intermetálicos y semiconductores

El rango de temperaturas de transición oscila entre 39 K (MgB2) a 0,001 K (Rh).

Superconductores de alta temperatura (HTSC)

En el año 1986 los científicos Bednorz y Müller, los descubrieron. Estos consistían en óxidos de cobre con bario y lantano. El rango de temperatura para los HTSC llega hasta los 125 K (Tl2Ba2Ca2Cu3O10).

Efecto Meissner

Consiste en la exclusión del campo magnético del interior del superconductor. Ocurre al aplicar un campo magnético externo menor que el valor del campo crítico, logrando así que un superconductor se comporte como un diamagnético ideal. Este experimento produce fenómenos tales como la levitación de un imán sobre un superconductor.

El efecto Meissner no es una consecuencia directa de la resistividad nula. Al contrario, es considerada una propiedad adicional de los superconductores.

Tipos de conductores

Existen dos tipos de superconductores, dependiendo de cómo pasan del estado superconductor al normal, cuando se aplica un campo magnético Bext > Bc, son los siguientes:

Tipo I

Experimentan una conversión abrupta de la imanación diamagnética cuando el campo magnético externo (Bext) supera el campo crítico (Bc). Este es un comportamiento característico en casi todos los elementos.

Tipo II

Experimentan una conversión gradual de la imanación diamagnética desde un campo crítico inferior (Bc1) hasta un campo crítico superior (Bc2). Este es un comportamiento característico de varias aleaciones y metales de transición con valores altos de la resistividad eléctrica en estado normal.

Teorías de la superconductividad

Teoría de Fritz y Heinz London (1935)

Es la primera teoría fenomenológica que explica el efecto Meissner y está basada en la ecuación de London:

Donde λL es la longitud de penetración que depende de la cantidad de electrones (ns) que se encuentran en estado superconductor.

Esta ecuación explica la forma que un campo magnético debe tener para que se cumplan las condiciones principales del efecto Meissner:

  • Que el campo magnético sea cero en el interior del superconductor.
  • Que las corrientes eléctricas estén limitadas a la superficie del superconductor en una capa con espesor λL y nulas en el interior.

Décadas después se confirmó que este fundamento era equivocado. En el año 1953 Lars Onsager, se percató del error, cuando estudiaba la cuantización del flujo magnético que pasa por un anillo superconductor. EL valor de flujo que obtuvo era exactamente la mitad de lo que debía ser.

Este resultado coincidía si se consideraba una carga de 2e. Entonces Cooper planteó la idea de que los portadores de carga no son en realidad electrones, sino parejas de electrones (a los que se les denominó pares de Cooper).

Teoría de Ginzburg – Landau

Propuesta en el año 1950 por Vitaly Ginzburg y Lev Landau. Es una teoría macroscópica, aplicable en el estudio de los superconductores no convencionales. Es decir, de alta temperatura crítica.

Las ecuaciones de esta teoría son:

Las ecuaciones de Ginzburg-Landau brindan dos cantidades fundamentales:

La longitud de coherencia de Ginzburg-Landau ξ(T). La cual nos indica la magnitud de las fluctuaciones termodinámicas en la fase superconductora:

La longitud de penetración de Ginzburg-Landau λ, que es la profundidad hasta la que llega a penetrar un campo magnético en una muestra en fase superconductora:

El cociente entre estas dos longitudes, se conoce como el parámetro de Ginzburg-Landau:

Este parámetro funciona como un criterio para la clasificación de los superconductores en tipo I y II.

  • Si k < entonces la energía superficial del superconductor es positiva y se trata de un superconductor de tipo I.
  • Si k > entonces la energía superficial del superconductor es negativa y se trata de un superconductor de tipo II.

Teoría BCS

Propuesta en el año 1957 por los físicos John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Shcrieffer, conocida como teoría BCS por las iniciales de los apellidos de sus creadores. Esta teoría es la de mayor importancia en el campo de la superconductividad. Sobre todo, desde el punto de vista microscópico. 

Se fundamenta el hecho de que los portadores de carga no son elementos, sino parejas de electrones (pares de Cooper). Los electrones normalmente se repelen debido a que poseen igual carga. Sin embargo, cuando se encuentran sumergidos en una red cristalina (microestructura del material), es posible que la energía entre ellos sea negativa (atractiva). En lugar de positiva (repulsiva), por lo que, se crean parejas para disminuir la energía.

Aplicaciones de la superconductividad

Las áreas de aplicación de los superconductores son las siguientes:

  • Líneas de transmisión.
  • Localización de alta resolución de flujo magnético utilizando magnetómetros SQUID’s (dispositivos interferenciales cuánticos superconductores).
  • Levitación magnética (cojinetes, trenes, ejes).
  • Generación de campos magnéticos altos mediante solenoides superconductores (resonancias magnéticas).
  • Dispositivos electrónicos basados en uniones Josephson (computador criogénico). 

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