Superconductividad para niños

El efecto Meissner, donde un imán levita sobre un material superconductor.

La superconductividad es una propiedad especial que tienen algunos materiales para conducir la corriente eléctrica sin ninguna resistencia ni pérdida de energía. Esto ocurre bajo ciertas condiciones, como temperaturas muy bajas. Fue descubierta por el físico neerlandés Heike Kamerlingh Onnes el 8 de abril de 1911 en Leiden.

Normalmente, la resistencia eléctrica de un metal disminuye a medida que se enfría. Sin embargo, en metales comunes como el cobre o la plata, siempre queda un poco de resistencia debido a imperfecciones. Pero en un material superconductor, la resistencia cae de repente a cero cuando se enfría por debajo de una temperatura específica, llamada temperatura crítica. Esto significa que una corriente eléctrica puede fluir en un cable superconductor para siempre, sin necesidad de una fuente de energía constante. La superconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica, igual que el ferromagnetismo.

Muchos materiales pueden ser superconductores, como elementos sencillos como el estaño y el aluminio, algunas aleaciones de metales y ciertos semiconductores especiales. Los metales como el cobre y la plata no suelen ser superconductores, ni la mayoría de los metales magnéticos. Sin embargo, en algunos casos, el oro puede comportarse como un superconductor.

¿Cómo se comportan los superconductores con los imanes?

Expulsión del campo magnético de un superconductor.

Aunque lo más sorprendente de los superconductores es que no tienen resistencia, también tienen una forma única de interactuar con los campos magnéticos. Un tipo de superconductor, llamado de tipo I, no permite que ningún campo magnético externo entre en él. A esto se le llama el efecto Meissner.

Los campos magnéticos nos ayudan a distinguir dos tipos de superconductores:

• Los de tipo I: No dejan que el campo magnético entre en absoluto. Si el campo es demasiado fuerte, el material deja de ser superconductor de golpe.
• Los de tipo II: Son superconductores "imperfectos". El campo magnético puede entrar a través de pequeños canales llamados vórtices. Estos dos tipos son como fases diferentes de un material, y fueron predichas por los científicos Lev Davidovich Landau y Alekséi Alekséyevich Abrikósov.

Cuando aplicamos un campo magnético débil a un superconductor de tipo II, lo repele. Pero si aumentamos el campo, el material prefiere dejar entrar algunos vórtices para reducir su energía. Estos vórtices aumentan y forman patrones que se pueden ver. Si el campo es muy fuerte, hay tantos vórtices que el material deja de ser superconductor. A este punto se le llama el campo crítico, y depende de la temperatura.

¿Cómo conducen la electricidad los superconductores?

Imán levitando sobre un superconductor de alta temperatura enfriado a -200 °C.

El efecto Meissner ocurre porque el material puede crear supercorrientes. Estas son corrientes de electrones que no pierden energía, lo que significa que pueden fluir para siempre sin generar calor. Estas supercorrientes crean el campo magnético necesario para el efecto Meissner. También permiten transmitir energía sin gasto, lo cual es muy impresionante. Como la cantidad de electrones superconductores es limitada, la cantidad de corriente que el material puede soportar también lo es. Hay una corriente crítica a partir de la cual el material deja de ser superconductor y empieza a perder energía.

En los superconductores de tipo II, la presencia de los vórtices puede causar una pequeña pérdida de energía, incluso con corrientes por debajo de la crítica, debido a que los vórtices chocan con los átomos del material.

¿Cómo cambia el calor en los superconductores?

El calor específico de un metal (la cantidad de calor necesaria para subir su temperatura) cambia con la temperatura. Cuando un metal está muy frío, pero aún no es superconductor, su calor específico sigue una fórmula específica.

Pero si lo enfriamos aún más y se vuelve superconductor, este comportamiento cambia mucho. El calor específico aumenta de repente en la temperatura crítica y luego cambia de otra manera. Esto significa que el material absorbe y libera calor de forma diferente cuando está en estado superconductor.

Es interesante notar que el calor específico aumenta bruscamente a un valor que es aproximadamente 2.5 veces el valor que tenía en su estado normal. Este valor es el mismo para todos los materiales superconductores y se explica con una teoría llamada BCS.

Historia de la superconductividad

¿Cuándo se descubrió la superconductividad?

Desde el siglo XIX, los científicos ya estaban midiendo la resistencia eléctrica a bajas temperaturas. James Dewar fue uno de los pioneros en este campo.

Pero la superconductividad se descubrió en 1911. El físico neerlandés Heike Kamerlingh Onnes notó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía por completo al enfriarlo a 4 Kelvin (-269 °C). Lo que se esperaba era que disminuyera poco a poco, no que desapareciera de golpe. Gracias a sus descubrimientos, especialmente por su método para producir helio líquido, recibió el premio Nobel de física dos años después. Al principio, a este fenómeno se le llamó "supraconductividad".

En 1913, se descubrió que un campo magnético lo suficientemente fuerte también podía destruir el estado superconductor. Tres años después, se encontró que también existía una corriente eléctrica crítica.

Como la superconductividad es un fenómeno de la física cuántica, no se hicieron grandes avances en su comprensión hasta los años cincuenta, porque los científicos no tenían las herramientas matemáticas necesarias. Por eso, la investigación se centró en observar el fenómeno, como el descubrimiento del efecto Meissner en 1933 y su explicación con la ecuación de London por los hermanos Fritz y Heinz London dos años después.

¿Cuáles son las teorías más importantes?

Los mayores avances para entender la superconductividad ocurrieron en los años cincuenta. En 1950 se publicó la teoría Ginzburg-Landau, y en 1957 apareció la teoría BCS.

La teoría BCS fue desarrollada por Bardeen, Cooper y Schrieffer (de sus iniciales viene el nombre BCS). Por este trabajo, los tres recibieron el premio Nobel de física en 1972. Esta teoría se pudo desarrollar gracias a dos descubrimientos clave de otros científicos a principios de los años cincuenta:

• El efecto isotópico en 1950, que conectó la superconductividad con la estructura del material.
• El descubrimiento de Lars Onsager en 1953 de que los portadores de carga son en realidad parejas de electrones llamadas pares de Cooper.

La teoría Ginzburg-Landau es una versión más general de la teoría de London, desarrollada por Vitaly Ginzburg y Lev Landau en 1950. Aunque esta teoría es anterior a la BCS, no recibió mucha atención al principio en Europa Occidental y Estados Unidos, en parte por la falta de comunicación en esos años. Esto cambió en 1959, cuando Lev Gor'kov demostró que se podía derivar de la teoría microscópica.

En 1962, Brian David Josephson predijo que la corriente eléctrica podría pasar entre dos superconductores incluso si estaban un poco separados, gracias a un efecto llamado efecto túnel. Un año después, Anderson y Rowell lo confirmaron con experimentos. Este efecto se conoce como efecto Josephson y es muy importante para los superconductores, con aplicaciones en campos como la magnetoencefalografía y la predicción de terremotos.

¿Qué son los superconductores de alta temperatura?

Después de un tiempo sin grandes avances, en 1987 Bednorz y Müller descubrieron que una familia de materiales cerámicos, los óxidos de cobre, eran superconductores a temperaturas más altas, por encima de los 90 Kelvin. Estos materiales, conocidos como superconductores de alta temperatura, hicieron que la investigación en superconductividad volviera a ser muy interesante. Estos materiales son un nuevo fenómeno que se explica porque los electrones se unen en "pares de Cooper". Como el estado superconductor se mantiene a temperaturas más fáciles de manejar (por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido), muchas aplicaciones comerciales podrían ser posibles, especialmente si se descubren materiales con temperaturas críticas aún más altas.

¿Cómo se consiguen los materiales superconductores?

Para lograr la superconductividad, los materiales comunes se enfrían con helio líquido. El nitrógeno líquido solo sirve para los superconductores de alta temperatura. El equipo necesario es complicado y caro, por lo que se usa en pocas aplicaciones, como la creación de electroimanes muy potentes para la resonancia magnética nuclear.

Sin embargo, en los años 80 se descubrieron los superconductores de alta temperatura, que se vuelven superconductores a temperaturas más altas que el punto de ebullición del nitrógeno líquido. Esto ha reducido mucho los costos de estudio de estos materiales y ha abierto la posibilidad de encontrar superconductores a temperatura ambiente, lo que sería una gran revolución en la industria del siglo XXI. La principal desventaja de estos materiales es que son cerámicos, lo que los hace difíciles de convertir en cables. Pero se han desarrollado nuevas técnicas para fabricar cintas, como la IBAD, con la que se han logrado cables de más de 1 kilómetro de largo.

Teoría de la superconductividad

Aunque la superconductividad sigue siendo un tema de investigación en física, hay dos enfoques principales para entenderla: el microscópico (basado en la teoría BCS) y el macroscópico (basado en la teoría Ginzburg-Landau).

Un superconductor no es solo un conductor "normal" perfecto

A diferencia de lo que se podría pensar, un superconductor se comporta de forma muy diferente a los conductores normales. No es que su resistencia sea "casi" cero, sino que es "exactamente" cero. Esto no se puede explicar con los modelos que usamos para los conductores comunes.

Si un superconductor se comportara como un conductor normal con resistencia cero, significaría que no habría colisiones entre los electrones. Esto llevaría a la conclusión de que el campo eléctrico dentro del material sería nulo. Sin embargo, si el campo eléctrico es nulo, el campo magnético debería ser constante, lo cual contradice el efecto Meissner (que dice que el campo magnético es expulsado). Por lo tanto, la superconductividad es un fenómeno muy diferente a una "conductividad perfecta" y necesita una teoría distinta para ser explicada.

Teoría BCS

La teoría más aceptada para explicar los superconductores a nivel microscópico es la Teoría BCS, presentada en 1957. Esta teoría explica la superconductividad como una aplicación de un concepto llamado Condensado de Bose-Einstein. Sin embargo, los electrones son fermiones, por lo que no se les puede aplicar directamente. La idea principal de la teoría BCS es que los electrones se unen en parejas, formando lo que se llama un par de Cooper. Estas parejas se comportan como bosones y su unión se debe a las interacciones de los electrones entre sí, mediadas por la estructura cristalina del material.

Teoría Ginzburg-Landau

Otro enfoque es la Teoría Ginzburg-Landau, que se centra más en las propiedades generales del material que en los detalles microscópicos. Se basa en cómo cambian las simetrías cuando el material pasa al estado superconductor.

Esta teoría es mejor para predecir las propiedades de materiales que no son uniformes. La teoría BCS solo funciona si el material es uniforme. La teoría Ginzburg-Landau funciona bien cuando las temperaturas están cerca de la temperatura crítica y cuando ciertos valores cambian suavemente.

Esta teoría predice dos distancias importantes:

• La longitud de penetración: Es la distancia que un campo magnético puede entrar en el material superconductor.
• La longitud de coherencia: Es el tamaño aproximado de un par de Cooper.

Tipos de superconductores

Los superconductores se pueden clasificar de varias maneras:

• Por su comportamiento físico: Pueden ser de tipo I (cambian de estado de forma brusca) o de tipo II (pasan por un estado mixto donde conviven ambos estados).

• Por la teoría que los explica: Se llaman convencionales si la teoría BCS los explica, o no convencionales si no.

• Por su temperatura crítica: Se les llama de alta temperatura si pueden alcanzar su estado superconductor enfriándolos con nitrógeno líquido (es decir, si su temperatura crítica es mayor de 77 Kelvin), o de baja temperatura si no es así.

• Por el material: Pueden ser elementos puros (como el mercurio o el plomo), superconductores orgánicos (como los hechos de fulerenos o nanotubos, que son de carbono), cerámicas (como las del grupo YBCO y el diboruro de magnesio) o aleaciones.

Usos de los superconductores

Los imanes superconductores son de los más potentes que existen. Se usan en los trenes maglev (que levitan), en las máquinas de resonancia magnética nuclear en los hospitales y para dirigir los haces en los aceleradores de partículas. También se pueden usar para separar partículas magnéticas débiles de otras que no lo son, como en la industria de los pigmentos.

Los superconductores también se han usado para fabricar circuitos digitales y filtros de radiofrecuencia y microondas para las estaciones base de telefonía móvil.

Se utilizan para construir uniones Josephson, que son la base de los SQUID (dispositivos superconductores de interferencia cuántica), que son los magnetómetros más sensibles que se conocen. Varias uniones Josephson se han usado para definir el voltio en el sistema internacional (SI). Una unión Josephson puede funcionar como detector de fotones o como mezclador. El gran cambio en la resistencia cuando el material pasa de estado normal a superconductor se usa para construir termómetros en detectores de fotones que funcionan a temperaturas muy bajas.

Están surgiendo nuevos mercados donde la eficiencia, el tamaño y el peso de los dispositivos basados en superconductores de alta temperatura superan los costos adicionales que implican.

Algunas aplicaciones futuras prometedoras incluyen transformadores de alto rendimiento, dispositivos para almacenamiento de energía, la transmisión de energía eléctrica, motores eléctricos (por ejemplo, para trenes maglev) y dispositivos de levitación magnética. Sin embargo, la superconductividad es sensible a los campos magnéticos en movimiento, por lo que las aplicaciones que usan corriente alterna (como los transformadores) serán más difíciles de desarrollar que las que dependen de corriente continua.

Véase también

En inglés: Superconductor Facts for Kids

• Efecto Meissner
• Superfluidez
• Condensado de Bose-Einstein
• Superconductividad de alta temperatura
• Quiteron
• Reflexión de Andréiev