Jhon Ender Duque V

Superconductividad: la resistencia es inútil
Cristóbal Pérez-Castejón y David Sánchez

Hoy en día, la palabra "superconductividad" tiene muchos puntos en común con lo que en otros tiempos fue la búsqueda del
santo grial. Por superconductividad entendemos una propiedad de determinados materiales que por debajo de una temperatura
crítica no ofrecen resistencia a la corriente eléctrica. En estas condiciones son capaces de transportar la energía
eléctrica sin perdidas... o generar campos magnéticos inmensos. Las ventajas de este fenómeno son evidentes: el 15% o el
20% de nuestra factura de la luz corresponde a energía disipada en los cables de distribución. Puesto que la super-
conductividad se descubrió a principios de siglo... ¿cómo es posible que todos nuestros cables no estén construidos
mediante estos materiales? La respuesta es sencilla pero desagradable: muchas veces el fenómeno sólo aparece a temperaturas
bajísimas, mas frías en ocasiones que las que podemos encontrar sobre la superficie de Plutón. Estas temperaturas sólo
pueden conseguirse mediante gases raros, como el helio líquido o sistemas de refrigeración caros y complicados. La batalla
en la que estamos inmersos hoy en día es precisamente el cómo subir el umbral de esa temperatura crítica hasta valores mas
asequibles y solucionar de paso los otros problemas que han ido apareciendo en el largo camino que los superconductores han
tenido que recorrer hasta el momento actual...

Un fenómeno del siglo XX

La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes. Había estado trabajando en el
comportamiento de la materia a baja temperatura (de hecho fue el primero en conseguir helio liquido), cuando observó que el
mercurio transmitía la electricidad sin pérdidas por debajo de 4,2 K (-269 °C). Las malas lenguas cuentan que el hallazgo
tuvo lugar cuando Onnes pidió a un alumno que midiera la resistencia eléctrica del mercurio. El alumno regresó con la
noticia de que la resistencia del metal desaparecía misteriosamente cuando la temperatura de la muestra alcanzaba los 4,2
K... a lo que Onnes replicó ordenándole que volviera al laboratorio a encontrar el "error" que había cometido. Tras repetir
varias veces la experiencia llegaron a la conclusión de que habían realizado un descubrimiento histórico: Onnes recibió el
Nobel de física en 1913. En años posteriores se encontraron muchos más materiales que poseían esta propiedad cuando se les
enfriaba por debajo de un cierto punto crítico, la llamada temperatura de transición.

La desaparición de la resistencia eléctrica no es la única propiedad asombrosa de los superconductores: su comportamiento
frente a los campos magnéticos también resulta fascinante. En 1933 Walther Meissner y R. Ochsenfeld descubrieron que un
campo magnético aplicado a un superconductor es expulsado completamente del interior de este por debajo de su temperatura
de transición superconductora. En su honor este efecto se conoce hoy en día como efecto Meissner y es el responsable de la
fotografía típica que todos asociamos con superconductividad: la de un pequeño disco de material flotando libremente en el
aire por encima de un imán.

La explicación del fenómeno demostró pronto ser extraordinariamente escurridiza. En un principio se pensó que puesto que la
resistencia eléctrica desaparecía, el material se comportaría como un conductor perfecto. Pero el experimento de Meissner
echó abajo esa hipótesis: el superconductor no cumplía lo que predecía la teoría clásica de los fenómenos eléctricos y
magnéticos (las ecuaciones del físico escocés James C. Maxwell) para un material de estas características. En 1935 F. y H.
London desarrollaron una teoría fenomenología de la superconductividad, es decir, estudiaron cómo ocurren las cosas en un
superconductor, pero no el porqué. El primer intento serio de dar una explicación de lo que ocurría en las entrañas de un
superconductor se debe a Frölich en 1950, el cual se basó en unos experimentos de la época que pusieron de manifiesto que
la temperatura de transición tenia mucho que ver con la masa de los iones del material. Gracias a estos trabajos, fue
abriéndose paso la idea de que la superconductividad era una fase distinta de la materia, una manifestación a escala
microscópica de la extraña teoría cuántica. Pero hubo que esperar hasta 1957, cuando Bardeen, Cooper y Schrieffer
desarrollaron la teoría que mejor explica la superconductividad, conocida en su honor como teoría BCS (por la que recibieron
el Nobel en 1972).

Se seguía buscando como subir más y más la temperatura de transición, utilizando principalmente aleaciones de metales más o
menos exóticos. En la década de los 60 se experimentaron con mezclas de niobio/estaño y niobio/titanio que permitieron llevar
a cabo las primeras aplicaciones comerciales de la superconductividad. En 1962, Josephson, predijo la unión que lleva su
nombre (y que posteriormente fue confirmada experimentalmente), un dispositivo que permite la medida extremadamente precisa
de campos magnéticos. También tuvieron que pasar 11 años antes de que Josephson recibiera el Nobel por sus trabajos.

Y así estaban las cosas (aplicaciones escasas y muy especializadas) hasta 1985. En diciembre de ese año, Muller y Bednorz
(ganadores del Nobel de Física en 1987) describieron una nueva cerámica, un oxido de bario/lantano/cobre en la que la
superconductividad aparecía a la asombrosa temperatura (para la época) de 35 K : casi el doble de lo que se había conseguido
hasta entonces. Y en 1987 el gran bombazo: Maw-Kuen Wu y Paul C. W. Chu descubrieron una cerámica de oxido de itrio, bario y
cobre (YBCO) que era superconductora a 93 grados Kelvin. Esto significaba que estos materiales podían refrigerarse con
nitrógeno liquido, que tiene un precio sensiblemente inferior al de la cerveza: hasta los refrigeradores de laboratorio mas
pequeños podían enfriarlos por debajo de la temperatura de transición. Por todo el mundo, los científicos se convirtieron en
alfareros: ya se han descubierto centenares de cerámicas con temperaturas de transición cada vez más y más altas. Hoy en día
disponemos de superconductores con una temperatura crítica de -109º centígrados, que puede conseguirse con refrigeradores
de aire industriales y hay experimentos que han encontrado efectos superconductores a -23º centígrados: una temperatura
normal en muchos puntos de la superficie de nuestro planeta.


¡Los electrones se atraen!

Hay un viejo chiste entre los físicos teóricos que resume su modo de trabajar. Pregunta: ¿Cómo explicaría un físico teórico
el movimiento de una vaca?". Repuesta: "Consideraría primero que es esférica y de masa despreciable". De igual modo, para
estudiar un metal, suponen que es infinito, que los átomos que se disponen de forma perfectamente periódica formando una red
cristalina y que los electrones se mueven a sus anchas por todo el sistema. Este modelo simple e irreal, que recibe el
nombre de gas de Fermi (por el físico italiano Enrico Fermi, que concibió una imagen similar de los núcleos atómicos),
paradójicamente da unos resultados excelentes a la hora de describir las propiedades básicas de cualquier metal. Sin embargo
desprecia, entre otras muchas cosas, la interacción que hay entre el gas de electrones y los iones de la red.

Los iones no están fijos en sus posiciones, sino que vibran alrededor de ellas. Es válido visualizarlos como pequeñas bolitas
enganchadas a sus vecinas mas próximas mediante muelles. Las fuerzas restauradoras que crean los muelles sobre un ion cuando
este se mueve un poco de su posición hacen que vibre y que esta vibración se propague por todo el cristal. Ahora bien, como
estamos en una escala microscópica (de menos de una millonésima de un milímetro), debemos estudiar el problema desde el punto
de vista cuántico. La teoría cuántica afirma que estas ondas no pueden tener una energía cualquiera. La energía esta
cuantizada en paquetes llamados fonones. Frölich estudió que pasaba cuando un electrón libre de un metal interaccionaba con
un fonón. Llego a la conclusión de que la superconductividad tenía mucho que ver con dicha interacción, ya que la temperatura
de transición estaba ligada con la masa de los iones de la red.

Apoyándose en el trabajo de Frölich, los físicos Bardeen, Cooper y Schrieffer, trabajaron en una teoría completa de la
superconductividad, descubriendo el mecanismo microscópico que daba lugar a que un metal se volviera superconductor: un
electrón interactúa con un fonón, deformando la zona de la red cercana; un segundo electrón ve entonces que la red esta
deformada y se ajusta para que su energía siga siendo mínima. Esta interacción indirecta entre los dos electrones mediada
por los fonones provoca, en determinadas circunstancias, que los dos electrones se atraigan entre si, superando la natural
repulsión que sufren y formando un par ligado. Por encima de la temperatura de transición, hay poquísimos pares de electrones
que están ligados. Pero, por debajo, hay una transformación entera del sistema que genera muchos pares de estos, es decir, el
metal sufre una transformación de fase.

Los experimentos sugieren que los superconductores clásicos tienen una zona de energías electrónicas prohibidas, denominada
gap. En los metales ordinarios, las cargas pueden moverse libremente y se aceleran en presencia de un campo eléctrico. Por
debajo de la temperatura crítica, a los pares de electrones de un superconductor les esta prohibido por las leyes de la
mecánica cuántica desplazarse por encima de un cierto valor de la velocidad. El gran triunfo de la teoría BCS fue probar
que ese gap era una consecuencia directa de la formación de los pares de electrones. Es más, fue posible demostrar que
todas las propiedades físicas de un superconductor se podían escribir en función del tamaño del gap. Este hecho prueba el
porqué un superconductor es un estado tan estable. Efectivamente, si aplicáis un campo magnético a un superconductor,
necesitareís que aquel sea bastante grande para que los electrones ganen mucha energía y puedan saltar la zona prohibida.
De esta manera, los pares se rompen y desaparece la superconductividad.