Texto escrito por Arturo Camacho Guardián, Instituto de Física de la UNAM.
¿Te has preguntado lo que ocasiona el calentamiento de nuestros dispositivos tecnológicos cuando los usamos? En la actualidad todos nuestros aparatos electrónicos están compuestos de circuitos que funcionan gracias a nuestra capacidad de controlar, manipular y aprovechar corrientes eléctricas. Sin embargo, la oposición natural de los materiales al flujo de corriente eléctrica genera disipación de energía que se traduce en calor. Este calor produce que se calienten nuestros artefactos y puede volver ineficiente la tecnología. La resistencia eléctrica es una propiedad de los materiales en la cual imperfecciones, defectos y distorsiones ocasionados por efectos térmicos impiden el movimiento libre de los electrones a través de un material.
Existen materiales conocidos como superconductores capaces de permitir el flujo de corriente eléctrica sin disipación. El transporte de electrones sin pérdidas permite en principio tecnologías como computadoras ultra-rápidas, motores y generadores híper-eficientes, trenes de levitación magnética, entre otros. A pesar de que la superconductividad fue descubierta hace poco más de 100 años, el desarrollo tecnológico se ha visto limitado debido a que el fenómeno de superconductividad se presenta a temperaturas cercanas al cero absoluto o bajo situaciones extremas e imprácticas en la vida real. Los científicos se han lanzado a la tarea de encontrar nuevos superconductores funcionales a temperaturas y condiciones ambientales.
Breve historia de la superconductividad convencional
La historia de la superconductividad se remonta al 8 de abril de 1911 en el laboratorio de criogenia (técnicas de enfriamiento) del científico holandés Heike Kamerlingh Onnes. Kamerlingh Onnes realizaba experimentos a temperaturas súper bajas de 4.2 K, esto es a ¡-268.95ºC! Onnes estudiaba el comportamiento del mercurio sólido a bajas temperaturas, cuando de forma inesperada observó que al sumergir un cable de mercurio sólido en helio líquido la resistencia eléctrica del cable se iba dramáticamente a cero, y que por temperaturas debajo de 4.2 K el mercurio sólido permitía el flujo de corriente sin resistencia. Onnes reportó este fenómeno como “supraconductividad”, que años después se renombró a superconductividad. Para demostrar por completo el fenómeno de superconductividad, Onnes diseño un experimento que consistía en circular corriente eléctrica a través de un circuito
cerrado de mercurio sólido: sorprendentemente, Onnes encontró que la corriente eléctrica persistía en el tiempo: ¡demostrando una forma de movimiento perpetuo de los electrones! Dos años después, Onnes recibió el Premio Nobel de Física, considerado como la máxima distinción científica en el mundo.
Figura 1. Reporte original de Kamerling Onnes del descubrimiento de la superconductividad. Mercurio sólido pierde en su totalidad su resistencia eléctrica.
El fenómeno de superconductividad fue considerado como el Santo Grial de la física, pues atrajo la atención de los físicos mas notables del momento, científicos de la talla de Niels Bohr, Richard Feynman, Werner Heisenberg, Lev Landau, Vitaly Ginzburg, entre otros intentaron entender los mecanismos que dan lugar a la superconductividad. Aunque dichos científicos contribuyeron de forma invaluable al progreso de la física, el entendimiento de la superconductividad permaneció como un misterio por más de cuatro décadas. Fue hasta que un joven Leon Cooper, recién graduado de doctorado de la Universidad de Columbia dio el primer gran paso. Leon Cooper sugirió el mecanismo microscópico conocido como pares de Cooper, en el cual electrones fluyen sin disipar en un sólido formando parejas. Un año después, en compañía de John Bardeen y Bob Schrieffer, el rompecabezas de la superconductividad fue finalmente armado por completo en lo que se conoce como Teoría de Bardeen, Cooper y Schriffer o simplemente Teoría BCS, la cual permanece hasta la actualidad como uno de los mayores logros científicos de la historia.
¿Qué es la superconductividad?
La superconductividad es un fenómeno cuántico, basado en los pares de Cooper, fenómeno en el cual los electrones se mueven en pares. La idea de los pares de Cooper es poco intuitiva, pues requiere que dos electrones que en principio se repelen debido a las leyes de la electrostática se atraigan (recordemos que cargas iguales se repelen).
Figura 2. (Izquierda) Dos partículas de cargas iguales (electrones) se repelen electrostáticamente. (Derecha) Un electrón A, al entrar a un medio atrae partículas de carga contraria (iones) denotados por las bolas azules. Un segundo electrón B, al propagarse en el medio siente una atracción electrostática hacia el electrón A gracias al exceso de cargas positivas. La interacción atractiva mediada por el exceso de cargas es capaz de vencer la repulsión electrostática original dando lugar a los pares de Cooper; el origen microscópico de la superconductividad convencional.
El principio de los pares de Cooper es el siguiente: un electrón al desplazarse en un sólido atrae cargas positivas (iones), como resultado, los iones se acercan los unos a los otros creando un exceso de carga positiva (ver Fig. 2). Un segundo electrón se siente atraído por este exceso de carga positiva (cargas opuestas se atraen). Dicha atracción puede vencer la repulsión electrostática original y permite a los electrones aparearse y formar los pares de Cooper.
La formación de pares de Cooper permite a los electrones formar un gran objeto cuántico capaz de desplazarse eficientemente a través de un medio y sin perder energía. La teoría cuántica que relaciona macroscópicamente a los pares de Cooper con el fenómeno de superconductividad es precisamente la teoría de BCS y que les valió el Premio Nobel de Física 1972 a John Bardeen, Bob Schrieffer, y Leon Cooper.
El presente y futuro de la superconductividad
Hasta los años 80, la temperatura de los superconductores no excedía unos cuantos Kelvin, es decir, requería temperaturas 100 veces más frías que la temperatura ambiente. Esto limitó las aplicaciones tecnológicas e industriales y hasta cierto sentido redujo a la superconductividad a una curiosidad científica. En 1986, los científicos Georg Bednorz y Alex Müller revolucionaron el campo al descubrir la superconductividad en materiales cerámicos a temperaturas superiores a los 90 K, lo cual renovó exponencialmente el interés en la superconductividad. A pesar de los innumerables esfuerzos científicos, la superconductividad en materiales cerámicos no supera hoy en día los 140 K -recordemos que la temperatura ambiente es de más o menos 300 K-. Interesantemente, el mecanismo de la superconductividad de los materiales cerámicos es intrínsecamente diferente a los pares de Cooper y hasta la fecha, la superconductividad en estos materiales permanece como uno de los más grandes retos teóricos de la física pendientes por resolver.
Otras alternativas han permitido el desarrollo de superconductores a temperatura ambiente, sin embargo, dichos procedimientos requieren condiciones extremas de presión, cientos de veces más intensas que la presión ambiental, lo cual también los hace imprácticos tecnológicamente.
La superconductividad es uno de los fenómenos cuánticos que mas ha cautivado a la comunidad científica los últimos cien años, estudios relacionados a la superconductividad han entregado ocho Premios Nobel. A pesar de que ya existen tecnologías basadas en superconductores que van desde imágenes de resonancia magnética y nuclear usadas cotidianamente en hospitales hasta el gran colisionador de hadrones (LHC) usado para descubrir el bosón de Higgs, conocido coloquialmente como “la partícula de Dios” el alcance tecnológico real de los superconductores estará por demostrarse en un futuro próximo.
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Foto de portada: ICMM.
