PROPIEDADES TERMICAS DE LOS SUPERCONDUCTORES
La superconductividad como una propiedad de la materia es mejor entendida en términos de su estructura
atómica, específicamente en el arreglo de los electrones en los átomos. Cada átomo es identificado por su
núcleo, el cual consiste en dos tipos de partículas subatomicas, protones (cargados positivamente ) neutrones
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(sin carga). El núcleo esta rodeado de electrones en numero igual (num. de átomos del elemento) a los
protones en arreglos llamados orbitales. Cada orbital contiene un numero de electrones hasta un máximo para
cada uno de ellos. En elementos ligeros los orbitales, internos están llenos y solo los mas externos están
incompletos ; en los elementos mas pesados uno o mas de los orbitales internos y de los externos pueden estar
incompletos. La posición que los electrones ocupan en la estructura esta identificada en la relación de energía,
y estos pueden ser excitados desde un nivel normal o nivel de energía hasta otros niveles de energía (hacia
otras posiciones en la estructura o dejan el átomo por completo).
Todas las propiedades químicas y la mayoría de las físicas de los elementos y de los compuestos gases,
líquidos y sólidos se entiende en términos de cambios de energía en la estructura electrónica de los átomos.
La energía que un electrón puede absorber o emitir en términos de unidades especificas de energía que puede
ser cambiada entre electrones o por electrones y radiaciones se define como mecánica cuántica. Como
resultado de este complejo arreglo de electrones en orbitales en los materiales cuando están en un estado
superconductivo puede ocurrir un largo intervalo de niveles de energía incompletos asignados a electrones
llamados Brechas de Energía. Atomos convertidos en cristales se mantienen muy apegados a sus electrones
mientras que en átomos de metales se pueden liberar algunos electrones, los cuales conducen calor y
electricidad.
Cientos de materiales se vuelven superconductivos a temperaturas muy bajas. Aproximadamente 26 de los
elementos químicos y todos los metales son superconductores en su forma usual cristalografica a presión
atmosférica. Dentro de los metales mas comunes están el Aluminio, Estaño, Plomo y Mercurio y algunos
menos conocidos como el Renio, Lantanio, Protactinio ; además tres elementos químicos que son materiales,
semimetales y semiconductores (no metales que son conductores eléctricos bajos cierta condiciones ) son
superconductores a bajas temperaturas y altas presiones. Dentro de estos están el Uranio, Serio, Selenio. El
bismuto que no es superconductor en su forma usual cristalografica puede volverse superconductor al
prepararlo en su forma amorfo (no cristalina) la cual es estable a temperaturas extremadamente bajas. La
superconductividad no se presenta en ninguno de los elementos magnéticos como el Cromo, Magnesio,
Hierro, Cobalto y Níquel.
La mayoría de los superconductores conocidos son aleaciones o compuestos. Es posible que un compuesto sea
superconductor aunque los elementos químicos que lo constituyen no lo sean ; ejemplos son el Fluoruo
Diplatico ( Ag2F) y un compuesto de carbón y potasio (C8K). Algunos compuestos semiconductivos tales
como el estaño (II) y el telurio (SnTe) pueden volverse superconductores con la ayuda de impurezas.
La superconductividad se ha encontrado en muchos elementos metálicos del sistema periódico, así como en
aleaciones, compuestos intermetalicos, y semiconductores. El intervalo de las temperaturas de transición en la
actualidad, se extiende desde unos 21K para la aleación Nb3 (AL0.8 Ge0.2) a 0.01K para algunos
semiconductores. En muchos metales no se ha observado superconductividad, aunque han sido estudiados a
temperaturas por debajo de 1K así, por ejemplo, Li, Na, y K se investigaron a 0.08K, 0.09K y 0.08K
respectivamente y seguían siendo conductores normales. Analógicamente Cu, Ag, y Au se han estudiado a
0.05K, 0.35K y 0.05K respectivamente y también seguían con la conductividad normal. Se han predicho
teóricamente que si el sodio y el potasio fuesen superconductores, sus temperaturas de transición estarían muy
por debajo de 10 E−5 K, esta afirmación se refiere a presión de 110 Kbar, después de varias transformaciones
de fase.
¿Se harán superconductores todos los elementos metálicos a temperaturas suficientemente bajas ? no lo
sabemos. En la investigación experimental de superconductores , con temperaturas de transición muy bajas, es
importante eliminar de las muestras las mas mínimas cantidades de elementos paramagneticos extraños, por
que pueden hacer descender drásticamente la temperatura de transición. Unas pocas partes por millón de Fe
destruirán la superconductividad del Mo, que cuando es puro tiene Tc= 0.92 K y un átomo por ciento de
Gadolino desciende la temperatura de transición (Fig. 1) del Lantano de 5.6K a 0.6K. Las impurezas no
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magnéticas no tienen un efecto muy marcado sobre la temperatura de Transición aunque pueden afectar el
comportamiento del superconductor en campos magnéticos intensos.
En la Tabla 1 se indican los elementos que se saben son superconductores así como sus temperaturas de
transición. No se sabe de ningún metal monovalente (excepto el Cs bajo presión ) que sea superconductor ;
tampoco lo son los metales ferromagneticos ; y lo mismo sucede con los elementos de las tierras raras,
excepto el lantano
TEMPERATURAS DE TRANSICION
A temperaturas por abajo por la cual una sustancia es superconductora se conoce como temperatura de
transición ( Tc ). La gran mayoría de los superconductores conocidos tienen temperaturas de transición entre
1K y 10K. De los elementos químicos, el Tungsteno tiene la temperatura de transición mas baja ( 0.015 K ) y
el Niobio la mas alta ( 9.5 K) Las temperaturas de transición de algunos elementos y de ciertos compuestos
superconductores mas comunes se muestran en la tabla 2. Una aleación del Niobio, Aluminio y Germanio
(Nv12 Al3 Ge1 ) tiene la temperatura de transición mas alta conocida (21K).
Entre los elementos de transición existe una muy fuerte correlación entre la temperatura de transición y el
numero de electrones del orbital mas externo del átomo. Cuando este numero es 5 ( Vanadio, Niobio y
Tantalio ) o 7 ( Tecnetio, Renio ), las temperaturas de transición son marcadamente mayores que las de otros
elementos de transición.
La temperatura de transición es algunas veces inusualmente sensitiva a la composición química como es en el
caso que contenga impurezas magnéticas. Unas pequeñas partes por millón de manganeso en Zinc, por
ejemplo, baja la temperatura de transición considerablemente. Como se ha mencionado, las temperaturas de
transición pueden depender de la estructura de los cristales y de la presión. La primera de ellas es mas efectiva
en influir en las temperaturas de transición de compuestos que en aleaciones, especialmente en compuestos
que contienen al menos un elemento de transición . Algunos tipos de estructura de cristales tienden a tener
mayores temperaturas de transición que otros y algunos tipos son raramente superconductores aunque algunos
se encuentran en ambos grupos .
CALOR ESPECIFICO Y CONDUCTIVIDAD TERMICA.
Las propiedades térmicas de un superconductor pueden compararse con aquellas de algún material a la misma
temperatura en su estado normal. ( El material puede forzarse a su estado normal a una temperatura dada por
un suficiente campo magnético).
Cuando una pequeña cantidad de calor es introducida en un sistema, algo de la energía es usada en
incrementar la vibración en la rejilla ( un monto que es el mismo para un sistema en estado normal y en estado
superconductivo ) y el sobrante es usado para incrementar la energía cinética de los electrones libres. Calor
especifico ( Ce ) de los electrones se define como el radio de la porción de calor usada por los electrones para
incrementar la temperatura en el sistema. La figura 2 muestra como el calor de los electrones en un
superconductor varia con la temperatura absoluta (T) en cualquiera de sus estados normal o superconductor.
Es evidente de esta figura que el calor especifico electrónico en estado superconductor designado como Ces es
menor que en el estado normal de Cen a temperatura suficiente baja pero Ces se vuelve a mayor que Cen a
medida de que la temperatura de transición Tc aproxima a un punto en el cual abruptamente cae la Cen. Para
una buena aproximación de Ces es proporcional al cubo de la temperatura absoluta . Mediciones precisas han
demostrado desviaciones a dependencia de las temperaturas y han indicado que, a temperaturas
considerablemente menores a la temperatura de transición, el logaritmo del calor especifico electrónico es
inversamente proporcional a la temperatura.
Esta dependencia de la temperatura aunado a ciertos principios de la mecánica estática, fuertemente surgieren
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que exista una brecha en la distribución de los niveles de energía disponibles en los electrones en un
superconductor tal que un mínimo de la energía requerida para la excitación de cada electrón en un estado por
debajo de la brecha hacia un estado por arriba de la misma.
El flujo de calor por unidad de área de una muestra es igual al producto de la conductividad térmica (K) y al
gradiente de la temperatura "T. Esto puede expresarse como JQ = −K"T, donde el signo menos indica que el
calor siempre fluye de zona o región mas caliente a una zona mas fría de una sustancia.
Es un hecho que la conductividad térmica en estado normal ( Kn ) acerca ala conductividad térmica en un
estado superconductor ( Ks ) en la medida en que la temperatura T se aproxima a la temperatura de transición
Tc de todos los materiales, sean estos puros o impuros. Esto sugiere que la brecha de energía ( ) para cada
electrón se aproxime a cero en la medida en que la temperatura T se aproxima a la temperatura de transición
Tc. Esto también cuenta por el hecho de que el calor especifico electrónico en un estado superconductor Ces
es mayor que en un estado normal Cen cerca de la temperatura critica ; es decir, en la medida en que la
temperatura es levantada hacia la temperatura de transición Tc, la brecha de energía decrece en el estado
superconductor, el numero de electrones excitados térmicamente se incrementa y esto requiere de una
absorción de calor.
BRECHAS DE ENERGIA.
Como se menciono anteriormente, las propiedades térmicas de los superconductores indican que hay una
brecha entre la distribución de los niveles de energía disponibles en los electrones y por lo tanto un monto
finito de energía designado como debe de ser proveída a un electrón para excitarlo. Esta energía es máxima
en el cero absoluto o y cambia muy poco con incrementos en temperaturas que se aproximan a la
temperatura de transición, mientras decrece a cero en estado normal. La Teoría BCS predice una energía de
este tipo de dependencia de temperatura.
De acuerdo a la Teoría BCS, existe un tipo de pares de electrones
( electrones de rotación opuesta actuando al unisono ) que en los superconductores es importante para
interpretar muchos de los fenómenos de superconductividad. Los pares de electrones llamados pares Cooper,
se rompen en la medida en que el superconductor es calentado. Cada vez que un par es roto, un monto de
energía el cual es menos la brecha de Energía debe ser abastecido a cada uno de los 2 electrones en el par de
tal forma que la energía sea de al menos 2 para ser abastecido a un superconductor.
El valor del doble de la brecha de energía a OK ( el cual es 2 o) se asume que es mayor en tanto que la
temperatura de transición de un superconductor sea mas alta. De hecho, la Teoría BCS predice una relación de
este tipo al que, la energía abastecida a un superconductor en cero absoluto será a 3.53 veces el producto de la
constante de Boltzman k y la temperatura de transición Tc en grado Kelvin : por ejemplo 2 o = 3.53 kTc. La
constante de Boltzman se deriva de las consideraciones teóricas de la distribución de energía entre agregados
de partículas (es igual a 1.38 x10E−23
joules por grado Kelvin donde es igual a 239 calorías).
La brecha de energía puede ser mas precisamente en un experimento de tuneleo ( ¨ tunneling¨ − es un
proceso en mecánica cuántica que permite que un electrón se escape de un metal sin adquirir la energía
requerida a lo largo de la prueba de acuerdo a las leyes de la física clásica). En este experimento una muy
delgada capa de aislamiento se prepara entre un superconductor metal, se asume aquí en estado normal. En
esta situación, los electrones pueden mecanica−cuanticamente pasar de un estado normal a ser superconductor
si la energía es suficiente. Esta energía puede ser proveída al aplicar voltaje negativos ( V ) a un metal normal
respecto al voltaje del superconductor.
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El efecto tunel ( Tunnelling ) ocurrirá si eV, el producto de la carga de electrones donde e = −1.6x 10E−19
coulombs y el voltaje es al menos tan grande como la brecha de energía V. El flujo de corriente entre 2 de la
unión hasta un voltaje en cual igual a la brecha de energía dividida entre la carga del electrón ( V=V/e) y
después se eleva rápidamente. Esto proporciona una carga determinada experimental de la brecha de energía.
En la descripción de este experimento se asume que existen electrones que al aplicarse el efecto tunel deben
tomar su energía através del voltaje aplicado mas que por la excitación térmica.
PROPIEDADES MAGNÉTICAS Y ELECTROMAGNETICAS DE LOS SUPERCONDUCTORES.
Las propiedades magnéticas de los superconductores son tan sorprendentes como sus propiedades eléctricas.
Las propiedades magnéticas no pueden basarse en la hipótesis de que el estado superconductor esta
caracterizado verdaderamente por la resistividad eléctrica cero. Es un hecho experimental que un
superconductor masivo, en un campo magnético débil, se comportara como un diamagnético perfecto, con
inducción magnética cero en su interior. Cuando una muestra se coloca en un campo magnético y se enfría por
debajo de la temperatura de transición para la superconductividad, el flujo magnético originalmente presente,
es expulsado de la muestra. Esto se llama Efecto Meeissner, el cual es descrito en detalle párrafos adelante.
CAMPO CRITICO
Unas de las maneras en las cuales un superconductor puede ser forzado a su estado normal es al aplicarle un
campo magnético. El campo magnético requerido para causar transición se le conoce como campo criticó ( Hc
), si la misma es de una forma cilíndrica o elipsoidal larga y delgada y el campo esta en forma paralela a lo
largo del eje de la muestra. ( En otras geometrías la muestra va desde un estado superconductor a un
intermedio en alguna región en donde en algunas es normal y en otras superconductor para finalizar en el
estado superconductor). El campo critico se incrementa al bajar las temperaturas hasta un valor de cero
absoluto ( Ho ) para los elementos superconductores los valores de Ho están en un rango desde 1.2 oersted
(oersted es la unidad de intensidad de un campo magnético ) del Tungsteno hasta 830 oersted del Tantalio.
Un campo magnético suficiente intenso destruirá la superconductividad. El umbral o valor critico del campo
magnético aplicado para que tenga lugar la destrucción de la superconductividad se designa por Hc ( T ) , y en
función de la temperatura critica, el campo critico es cero : Hc ( Tc ) = 0. En la figura 3 se ha representado la
variación del campo critico con la temperatura para varios elementos superconductores. Las curvas umbral
separan el estado superconductor − parte inferior izquierda de la figura − del estado normal − parte superior
derecha−.
Estos comentarios sobre el campo critico se aplican a los superconductores ordinarios llamados del tipo I. En
la siguiente sección el comportamiento de otros superconductores conocidos como el tipo II se examinara.
EFECTO MEISSNER.
Meissner y Ochsenfeld encontraron que si un superconductor se enfría, en presencia de un campo magnético,
por debajo de la temperatura de transición, resulta que en el momento de la transición las líneas de inducción
B son expulsadas del interior del superconductor ( fig. 4). Este fenómeno se denomina efecto Meissner.
En la fig. 5a. se ha representado la curva de imanación esperada para un superconductor bajo las condiciones
del experimento Meissner Ochsenfeld. Esto se aplica cuantitativamente a unas muestras en forma de cilindro
sólido largo colocado en un campo magnético longitudinal. Muestras puras de muchos materiales exhiben este
comportamiento ; se llaman superconductores del tipo I, o, primitivamente, superconductores
blandos. Los valores de Hc son siempre demasiado pequeños como para que los superconductores del tipo I
tengan alguna aplicación técnica útil en las bobinas de los imanes superconductores.
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Otros materiales exhiben una curva de imanación de la forma representada en la fig. 5b. y se conocen como
superconductores del tipo II. Suelen ser aleaciones o metales de transición con valores elevados de la
resistividad eléctrica en el estado normal ; es decir, el camino libre medio electrónico, en el estado normal es
pequeño. Los superconductores del tipo II tienen propiedades eléctricas superconductoras hasta un campo que
se designa por Hc2 . entre el campo crítico inferior Hc1 y el campo critico superior Hc2, la densidad de flujo
B es diferente de cero y se dice que el efecto Meissner es incompleto. El valor de Hc2 puede ser por lo menos
100 veces mayor que el valor del campo critico Hc calculado por la termodinámica de la transición. En a
región comprendida entre Hc1 y Hc2 el superconductor esta atravesado por líneas de flujo y se dice que se
encuentra en estado Vórtice.
SUPERCONDUCTORES DEL TIPO II
No existe diferencia en el mecanismo fundamental de la superconductividad para superconductores del tipo I
y del tipo II. En ambos tipos el mecanismo es la interacción electrón − fonon − electrón. Ambos tipos tienen
propiedades térmicas análogas en la transmisión superconductor normal, en ausencia de campo magnético.
Pero el efecto Meissner es completamente diferente en los dos tipos (fig. 5a y 5b). un buen superconductor del
tipo I rechaza al campo magnético hasta que repentinamente se destruye la superconductividad en su totalidad
y el campo lo penetra por completo. Un buen superconductor del tipo II rechaza al campo por completo, solo
en caso de campos relativamente deviles hasta un valor de Hc1 . por encima del valor de Hc1 el campo es
rechazado parcialmente, pero la muestra permanece eléctricamente superconductora. Para campos mucho mas
elevados del orden (100 KG) el flujo penetra por completo y desaparece toda la superconductividad.
BRECHA PROHIBIDA DE ENERGIA
En la tabla 3 se dan los valores de las brechas prohibidas de energía en varios superconductores ; los valores
se obtuvieron por el método del Efecto Tunel Electrónico. Frecuentemente, la magnitud se llama parámetro de
la brecha de energía, .
Se observa que la transición en un campo magnético cero del estado superconductor al normal es una
transición de fase de segundo orden. En una transición de segundo orden no hay calor latente, si no una
discontinuidad en la capacidad calorifica. Además, la brecha prohibida de energía decrece en forma continua a
cero mientras la temperatura aumenta hasta alcanzar de la transición. Una transición de primer orden estaría
caracterizada por un calor latente y una discontinuidad en la brecha prohibida de energía.
PROPIEDADES ELECTROMAGNETICAS DE ALTA FRECUENCIA
Hasta este momento la discusión se ha referido al comportamiento de superconductores en ausencia de
campos electromagnéticos o en la presencia de campos estables o de variación muy lenta como también han
sido estudiadas las propiedades de alta frecuencia en los superconductores.
La brecha de energía en un superconductor tiene un efecto directo en la absorción de la radiación
electromagnética. A temperaturas bajas en las cuales una fracción despreciable de electrones son excitados
térmicamente a estados por encima de la brecha, el superconductor puede absorber cierta cantidad de energía
solo si es al menos el doble de la brecha de energía. En el proceso de absorción un fotón es absorbido y un par
de Cooper es roto, excitando a ambos electrones en el par. La energía del fotón se relaciona a su frecuencia
por la famosa relación de Planck, donde la energía es igual a la constante de Planck multiplicada por la
frecuencia, E=hf, en la cual h es la constante de Planck equivalente a 6.63 x 10E−34 joule−seg. Arreglando la
ecuación nos da que f = E/h, por lo tanto el superconductor puede absorber energía electromagnética solo para
frecuencias de al menos el doble de la brecha de energía dividida entre la constante de Planck, es decir 2 o /
h. Datos obtenidos en las regiones infrarrojas y de microondas del espectro, determinan el tamaño de la brecha
de energía de un material en particular.
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CUANTIZACION DE FLUJO MAGNETICO.
En la mecánica cuántica los electrones tienen sus propiedades de ondas y las propiedades de un electrón se
conocen como Función onda. Si las funciones de onda están en fase se dice que son coherentes. La teoría de la
superconductividad indica que existe una simple, coherente y mecánico cuántica función onda que determina
el comportamiento de todos los electrones superconductores. Como consecuencia, se puede mostrar que existe
una relación directa entre la velocidad de estos electrones y el flujo magnético ( ) contenido en un cierto
sector cerrado dentro de un superconductor. De hecho en la medida que el flujo magnético se eleva debido al
movimiento de los electrones, este será cuantizado por ejemplo, la intensidad de este flujo atrapado puede
cambiar solo por unidades de la constante de Planck dividida por lo doble de la carga del electrón.
Cuando un campo magnético entra en un superconductor del tipo II ( campo aplicado entre los campos
críticos inferior y superior) se hace en la forma de fluoxoides cuantizados cada uno llevando en si una
cantidad de flujo. Estos fluoxoides tienden a arreglarse entre ellos en patrones regulares que han sido vistos a
través de microscopios electrónicos y por difraccion de neutrones. Si una corriente se pasa a traves de un
superconductor puede lograrse que los fluoxoides se muevan. Este movimiento lleva una disipación de
energía que puede calentar al superconductor y llevarlo a su estado normal. En la fabricación de alambres para
altos campos magnéticos superconductores, los fabricantes tratan de acomodar las posiciones de los
fluoxoides haciendo alambres no homogéneos en su composición.
EL EFECTO TUNEL DE UNA PARTICULA.
Considérense dos metales separados por un aislador, como en la fig. 6. Normalmente el aislador actúa como
una barrera para el flujo de electrones de conducción de un metal a otro. Si la barrera es suficientemente
delgada ( menor de 10 o 20 Armstrong ) existe una probabilidad considerable de que un electrón que llegue a
la barrera pase de un metal al otro ; esto se llama Efecto Tunel. El concepto de que las partículas pueden
atravesar barreras de potencial, por efecto Tunel, es tan vieja como la mecánica cuántica. En muchos
experimentos la capa aislante es, sencillamente, una capa delgada de oxido formada en una de las dos
películas metálicas evaporadas, como en la fig. 7.
Cuando ambos metales son conductores normales, la relación corriente− potencial de unión Tunel, o
¨sandwich¨, es ohmica para potenciales pequeños, con la corriente directamente proporcional al potencial
aplicado ( fig. 8. ).
CORRIENTES DE JOSEPHSON.
Si dos superconductores son separados de su película de aislamiento que forma la unión de baja resistencia
entre ellos se encuentra que los pares de Cooper pueden ser llevados de un lado de la unión hacia el otro ( el
proceso ocurre adicionalmente a lo que sucede en el Efecto Tunel de una partícula, previamente descrito ). Por
lo tanto, un flujo de electrones llamado corriente de Josephson, es generado y esta íntimamente relacionado a
las faces de la función de onda mecanico−cuantica coherente para todos los electrones superconductivos en
ambos lados de la unión. Como resultado, varios fenómenos novedosos pueden ser predichos y los
experimentos lo han demostrado. Solo que, colectivamente, se llaman Efecto o Efectos Josephson.
El primero de estos fenómenos es el paso de la corriente a través de la unión en ausencia de voltaje. La
corriente máxima que puede fluir a voltaje cero depende del flujo magnético ( ) que pasa a traves de la
unión como resultado de los campos magnéticos generados por corrientes en la unión. La dependencia de un
máximo de corriente de voltaje cero en un campo magnético aplicado a una unión entre dos superconductores
se muestra en la fig. 9.
Una segunda clase de Efectos Josephson es con corriente oscilatoria resultante de la relación entre un voltaje a
través de la unión y la frecuencia de la corriente asociada con los paras Cooper pasando a través de la unión.
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La frecuencia de esta corriente de Josephson es igual a dos veces el producto de la carga de electrones ( e ) por
el voltaje aplicado ( v ) dividida entre la constante de Planck ( h ) esto es F = 2eV/h. por lo tanto, la frecuencia
se incrementa 4.84 x 10E14 Hz ( ciclos por segundo ) para cada volt aplicado a la unión. Esto puede ser
demostrado de varias formas. El voltaje puede establecerse con una fuente de corriente directa y la corriente
puede ser detectada por la radiación electromagnética de la frecuencia que se genera. Otro método es exponer
la unión a radiación de otra frecuencia generada externamente. Y se encuentra que en una gráfica de corriente
directa contra voltaje tiene corriente de distintos valores con respecto al voltaje para frecuencias Josephson
que son múltiplos enteros (n) de la frecuencia externa ( f = nf ) esto es el voltaje es igual al numero de veces
de enteros de la constante de Planck por la frecuencia externa dividida entre dos veces la carga del electrón o
lo que es lo mismo V=nhf/2e.
La observación de los pasos de corriente de este tipo ha permitido medir la proporción de la constante de
Plank a la carga en un electrón (h/e) con una mucha mayor precisión que por algún otro método y por lo tanto
ha contribuido al conocimiento de las constantes fundamentales de la naturaleza.
domingo, 21 de marzo de 2010
Jhon Ender Duque V CRF
El descubrimiento. Las propiedades.−
La superconductividad fue descubierta hace 90 años por el investigador holandés Heike Kamerlingh Onnes,
quien notó con sorpresa que un hilo de mercurio helado perdía bruscamente toda su resistencia eléctrica a una
temperatura inmediatamente inferior a 4,2 grados Kelvin, que es el punto de ebullición del helio. Más tarde la
transición abrupta a un estado sin resistencia se descubrió en el plomo a la temperatura de 7,2 grados y en el
estaño a 3,7 grados. Onnes pensó en seguida la posibilidad de construir un electroimán de alto campo y, en
1913, construyó una bobina de plomo para ensayar la idea. Los resultados fueron desconcertantes. Si bien la
bobina era superconductora en tanto que la corriente de excitación fuera pequeña, cuando el campo magnético
excedía de una intensidad moderada el plomo pasaba siempre al estado resistivo. Experimentos ulteriores
mostraron que todos los superconductores metálicos puros presentaban una intensidad de campo crítica que
les era propia y que estaba claramente definida, siendo usualmente menor de 0,1 tesla; al llegar a este valor, la
superconductividad se extinguía súbitamente.
Las propiedades magnéticas de un superconductor son insólitas incluso para campos inferiores al nivel crítico.
Si se aplica un pequeño campo magnético a un superconductor, aquél induce una sobrecorriente permanente
en la superficie del metal, que excluye el flujo del campo magnético desde el interior. El campo magnético
penetra sólo hasta una capa delgada de la superficie. La longitud hasta la que el campo se extiende dentro del
material denominada profundidad de penetración, suele ser de 10 elevado a −5 centímetros o menor.
En las postrimerías de la década de los treinta, se llegó al conocimiento de que la superconductividad provenía
de una transición de fase entre los electrones de conducción del metal. A temperatura ambiente, los electrones
forman un gas; por debajo de una temperatura crítica de transición, algunos de ellos pasan a una fase de
condensación, la cual posee una energía más baja que la del gas. Faltaba todavía una teoría
mecánico−cuántica de la condensación que se fundara en las interacciones básicas de los electrones.
Dicha teoría fue formulada en 1957 por John Bardeen, Leon N. Cooper y J. Robert Schrieffer, que estaban
entonces en la Universidad de Illnois. Su análisis partía de la idea siguiente: quienes transportan la corriente
eléctrica en un superconductor no son electrones individuales, sino pares de electrones corticales1
entrelazados. Naturalmente todos los electrones tienen la misma carga eléctrica negativa, por cuya razón
tienden de ordinario a repelerse mutuamente, no a unirse entre sí. Sin embargo, en el retículo cristalino de un
metal existe una interacción de atracción entre los electrones, que puede ser mediada por la existencia de iones
metálicos positivos. Los iones positivos son más pesados que los electrones y se mueven mucho más
lentamente; de ahí que se retrase su respuesta ante el paso de un electrón. La persistencia de la respuesta
después del paso de un electrón crea una concentración de carga positiva que atrae al segundo electrón,
apareándose ambos. La fuerza de atracción indirecta entre los electrones es excesivamente débil y, a
temperatura ambiente, es compensada por su agitación térmica. Pero en un metal con una estructura química y
cristalina adecuada y a temperatura próxima al cero absoluto, los electrones pueden reducir su energía total
mediante la condensación en pares. Como todos los pares de electrones poseen necesariamente el mismo
momento2 , el momento de un par no puede modificarse por difusión y, por tanto, no existe resistencia.
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La teoría introducida por Bardeen, Cooper y Schrieffer daba cuenta, con buen acierto, de la mayoría de las
características básicas del estado de superconduccion, energía reducida de los pares de electrones y existencia
de un campo magnético crítico incluidas. Pero no abordaba otros aspectos de la superconductividad: las
propiedades de las aleaciones superconductoras.
Se afrontó el estudio de las aleaciones superconductoras en la década de los 30. Se descubrió entonces que
algunas presentaban una tolerancia frente a los campos magnéticos mayor que los materiales
superconductores de metal puro.
En 1934, Cornelius J. Gorter, de la universidad de Leyden, y Heinz London, de la universidad de Oxford,
sugirieron independientemente que podía explicarse la región de transición ampliada, característica de las
aleaciones, mediante la formación de dominios superconductores y dominios normales que se alternasen a
través del material.1
En 1953 Brian Pippard, de la universidad de Cambridge, introdujo el concepto de longitud de coherencia en
los superconductores; esta longitud es una medida de la gama de las funciones de onda de mecánica cuántica
que definen los pares de electrones superconductores. La longitud de coherencia también puede caracterizarse
como el espesor mínimo de la interfase entre una región superconductora y otra normal. Pippard halló que la
longitud de coherencia disminuía en las aleaciones con mayor concentración de soluto. Si esta longitud era
menor que la profundidad de penetración, se satisfacía la condición de energía de interfase negativa de Gorter
y London y resultaría una transición más amplia en un campo magnético.
La teoría de Abrikosov. Se crean las categorías.−
Estas ideas recibieron una nueva expresión en 1957 en el trabajo del físico ruso A.A. Abrikosov. Distinguía
dos categorías de superconductores, designadas por tipo I y tipo II. En un campo magnético muy débil, estas
dos clases de materiales actúan de forma muy parecida: ambos expelen completamente el campo. Las
diferencias surgen cuando se intensifica el campo. En los materiales de tipo I, que en su mayor parte son
materiales puros, la corriente de blindaje de la superficie se colapsa y el flujo magnético entra súbitamente en
el material a una intensidad de campo crítica bien definida. Los materiales de tipo II muestran su
superconductividad a través de un proceso más gradual. El flujo magnético empieza a penetrar a una
intensidad de campo baja (el campo crítico más bajo), pero no se elimina la última traza de
superconductividad hasta que se aplica un campo más intenso (el campo crítico superior).
La penetración del flujo magnético en un superconductor del tipo II depende crucialmente de una limitación
de la mecánica cuántica: la existencia de un cuanto mínimo de flujo magnético. Por tanto, el campo del
interior de un superconductor del tipo II no puede crecer continuamente, sino que debe aumentar por pasos,
con un cuanto de flujo cada vez. Abrikosov sugirió que cada cuanto de flujo pasa a través del material dentro
de un canal microscópico de metal resistivo normal. Cada canal está rodeado por un pequeño torbellino de
sobrecorriente, que actúa protegiendo el material superconductor próximo respecto del campo interno del
cuanto de flujo. La función de la corriente en el torbellino es análoga a la de la corriente de blindaje
superficial a intensidades de campo más bajas.
Una sección transversal de tal tipo de torbellino revelaría una región estrecha del núcleo donde el manto
magnético alcanza su valor máximo y donde la densidad de los pares de electrones superconductores es
mínima. Un observador que se desplazara hacia el exterior desde el núcleo comprobaría que la densidad de los
electrones apareados aumentaba y se aproximaba a la densidad de equilibrio característica del material
compacto a una distancia de una longitud de coherencia. A la inversa, el campo magnético disminuiría con la
distancia referida al núcleo, y llegaría a anularse a la distancia de una profundidad de penetración de valor
unidad.
El tipo I o el tipo II de un superconductor dado viene determinado por los valores relativos de la longitud de
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coherencia y de la profundidad de penetración. En los metales puros y en otros materiales pertenecientes al
tipo I, la longitud de coherencia es mayor que la profundidad de penetración; no se forman torbellinos. El
coste energético invertido en la creación de un torbellino es mayor que el gastado en eliminar completamente
el estado de superconducción. En los materiales del tipo II, la longitud de coherencia es menor que la
profundidad de penetración. Por tanto, sale energéticamente favorecida la formación de torbellinos.
A medida que aumenta el campo magnético aplicado a un superconductor del tipo II, va creciendo el número
de cuantos de flujo enfilados a través del material. Forman típicamente una estructura similar al cristal con
una célula unitaria triangular. Entre los canales del torbellino quedan regiones del metal superconductor; de
este modo persiste la superconductividad en el material compacto. Mientras se mantenga un único filete
contínuo de superconductor, la resistencia medida en la muestra debe ser igual a cero. El superconductor del
tipo II sólo se extingue cuando los torbellinos están agrupados tan estrechamente que no puede existir ese
paso continuo; tal ocurre cuando se alcanza al campo crítico superior.
Aunque el modelo de Abrikosov aportaba una base teórica que permitía comprender los superconductores de
alto campo, no despertó de inmediato ningún interés hacia la tecnología de la superconductividad. La
posibilidad de campos críticos extremadamente altos, mayores de dos teslas, no era obvia, por un lado, y
además, no se consideraba la cuestión de la densidad de corriente.
En busca del superconductor ideal. Nuevos problemas.−
El descubrimiento de superconductores útiles desde el punto de vista tecnológico resultó de la búsqueda de
nuevos materiales de temperatura altamente críticas. T.H Geballe, J.K. Hulm y Bernd T. Matthias de la
Universidad de Chicago, trabajaron con un compuesto superconductor, de niobio−estaño, que se convertía en
superconductor a los 18 grados Kelvin y sostenía una intensidad de corriente de más de 100.000 amperios,
inmerso en campo magnético de casi nueve teslas. Su campo crítico excedía por su parte los 20. El material
era un superconductor del tipo II y cuya longitud de coherencia era mucho más corta que su profundidad de
penetración Gorter y Philip W. Anderson observaron que la corriente en el superconductor ejercía una fuerza
en las líneas de flujo magnético que tendían a empujarlas en ángulo recto con relación a su propio eje y a la
dirección del flujo de la corriente a la vez. El movimiento de las líneas de flujo por la influencia de esta fuerza
podía ocasionar un calentamiento que extinguiese la superconductividad. Se intentaron diversos modos de
acabar con este sobrecalentamiento, pero ninguno con éxito total. Así que se llegó a la conclusión de que los
superconductores de campo y corriente altos reseñan por lo general a malos conductores en estado normal
resistivo.
Desde la década de los 60 se han encontrado varios materiales que satisfacen para trabajar con un campo y
corriente altos. Sólo dos de ellos se han utilizado finalmente en los imanes superconductores, aleaciones de
niobio y titanio. Estos materiales por tanto poseen una longitud de coherencia mucho más pequeña que la
profundidad de penetración.
Ni siquiera disponiendo de los materiales adecuados la fabricación de un imán superconductor resulta una
tarea simple. Si alguna pequeña región del arrollamiento extingue su superconductividad por superar la
densidad de corriente eléctrica, es necesario que los imanes superconductores prácticos pasen seguros al
estado normal. En una bobina de un superconductor puro, esta zona se comportaría como una conexión de alta
resistencia y se vería spometido a un fuerte calentamiento resistivo. El calor desarrollado extinguiría
naturalmente las zonas próximas al superconductor, con lo que no aumentarían las zonas normales. De no
controlarse ese proceso las consecuencias podrían ser terribles. El colapso podría introducir altas tensiones;
éstas podrían destruir el aislamiento y dañar permanentemente la estructura.
Para evitar esto un primer paso sería revestir el superconductor de un conductor normal de baja resistencia,
con cobre, por ejemplo. En el caso de que una región del arrollamiento perdiese su superconductividad, la
corriente de excitación se dirigiría al cobre.
5
Este revestimiento permite que un pequeño imán superconductor pase a salvo hacia el estado resistivo. Pero
en un imán de mayor tamaño la energía sería demasiado grande para disiparse en forma de calor por los
arrollamientos. Para solucionarlo se creó la estabilización criostática. Se aumentó el cobre hasta alcanzar
valores de 20 a 1 en relación al superconductor. Se hizo circular además helio de refrigeración directamente
sobre la superficie de los arrollamientos, para extraer el calor con rapidez. Con ello una pequeña región
resistiva podía eliminarse sin que la temperatura aumentara, deteniéndose el crecimiento de la zona normal,
restableciéndose la superconducción. El mayor conveniente de esta técnica es que reduvce sensiblemente la
densidad de corriente total en el arrollamiento. Para obtener campos más elevados se ha desarrollado una
nueva estrategia, identificando una liberación de energía con su consiguiente elevación de la temperatura a la
que se denominó salto de flujo (producida a medida que cambia el campo en el superconductor). La energía
térmica liberada por un salto de flujo es proporcional al diámetro del hilo superconductor. Por ello es posible
reducir el efecto de las inestabilidades del salto de flujo sustituyendo un conductor único por un conjunto de
pequeños superconductores embebidos en una matriz de un buen conductor normal. La fabricación de tales
conjuntos de microfilamentos es una tecnología muy compleja.
Pero el desarrollo de los conjuntos de multifilamentos no ha eliminado totalmente la fase de ensayo de los
imanes superconductores. El problema ha surgido de nuevo al introducirse imanes mayores. Parece como si al
excitar por primera vez el imán, ,los conductores deban ponerse en condiciones de funcionar pasando a nuevas
posiciones y liberando picos de calor. Además de los picos térmicos provocados por los saltos de flujo y por el
movimiento del conductor, se genera también calor en el arrollamiento magnético por las corrientes de
blindaje inducidas siempre que cambia el campo interno. Muchos imanes de investigación de gran tamaño
como los aceleradores de partículas deben ser alimentados en un régimen de todo−nada, por lo que el campo
varía rapidisimamente. La fabricación de filamentos cada vez menores reduce sensiblemente las llamadas
pérdidas dinámicas. Además se incorporan barreras resistivas entre ellos normalmente a partir de una aleación
de cobre−níquel de alta resistencia. Así, el material final tiene una estructura francamente complicada: un haz
de filamentos finísimos superconductores (torsionados y transpuestos), embebidos cada uno en cobre y aislado
de sus elementos más próximos por una pared delgada de cobre−níquel. Hay en estudio otras maneras de
fabricar superconductores, entre ellas unos del tipo A15 de los que no hablamos por su excesiva complejidad.
Aplicaciones de la tecnología superconductora.−
Quizás la aplicación más sencilla de la tecnología de los superconductores sea la fabricación de imanes fijos
proyectados para generar un campo constante o un campo que sólo cambia muy lentamente. Dentro de unos
años podrían utilizarse en la industria de energía eléctrica. Los imanes superconductores se han mostrado
especialmente útiles en la física de las partículas fundamentales: el de la CERN en Ginebra, el del Fermilab de
Chicago, el anillo en el Brookhaven National Laboratory en EE.UU,
Los imanes superconductores alimentados por corriente continua tienen un gran número de aplicaciones
potenciales en la industria eléctrica: la técnica de generación por magnetohidrodinámica, o simplemente
MHD, que puede sustituir la caldera, la turbina y el alternador de un grupo de potencia que queme carbón o
fuel−oil. Su explicación resultaría muy larga, pero se puede decir que está basado en un campo que desvía los
iones positivos de los negativos en direcciones opuestas de un plasma a alta temperatura.
De la adopción de superconductores en los grandes alternadores cabe esperar varias ventajas. Supondría
acabar con las pérdidas eléctricas en un 50% o más, lo que supondría un ahorro energético considerable. Aun
cuando el coste inicial del alternador superconductor resultase un poco elevado el rendimiento eléctrico
mejorado representaría una ventaja económica. Sólo parte de los ahorros pueden atribuirse directamente a la
eliminación de pérdidas resistivas en los arrollamientos del rotor. Otra economía energética tiene que ver con
la eliminación de la carga de refrigeración normal del rotor. Aunque se ha de contar con un refrigerador de
helio para el rotor superconductor, su consumo de energía es mucho menor que el de los ventiladores
necesarios para refrigerar un rotor de bobinado de cobre.
6
Un alternador superconductor será también menor que una máquina en cobre e hierro con la misma capacidad
de potencia, lo que deberá reducir los costos de transporte. Además, las reducciones en tamaño y en peso
factibles gracias a los campos magnéticos más altos de los sistemas superconductores resultan bastante
atractivas para los equipos de aviones y embarcaciones.
Todas estas aplicaciones le auguran mucho futuro a los superconductores. Todavía hay problemas por
resolver, todos esos aumentos de temperatura, la dificultad para encontrar helio, pero la base está ahí, por lo
que pensar en las aplicaciones a gran escala de esta tecnología aparecerán pronto.
1 Tesla = 10.000 gauss. Medida de campo magnético.
2 solenoide: circuito que genera un campo magnético.
3 valores de cresta: los valores máximos del campo magnético.
1 Electrones corticales: Los de la última capa.
2 Momento de un electrón: La fuerza de giro del electrón.
1 dominios: zonas de conducción de la electricidad
7
La superconductividad fue descubierta hace 90 años por el investigador holandés Heike Kamerlingh Onnes,
quien notó con sorpresa que un hilo de mercurio helado perdía bruscamente toda su resistencia eléctrica a una
temperatura inmediatamente inferior a 4,2 grados Kelvin, que es el punto de ebullición del helio. Más tarde la
transición abrupta a un estado sin resistencia se descubrió en el plomo a la temperatura de 7,2 grados y en el
estaño a 3,7 grados. Onnes pensó en seguida la posibilidad de construir un electroimán de alto campo y, en
1913, construyó una bobina de plomo para ensayar la idea. Los resultados fueron desconcertantes. Si bien la
bobina era superconductora en tanto que la corriente de excitación fuera pequeña, cuando el campo magnético
excedía de una intensidad moderada el plomo pasaba siempre al estado resistivo. Experimentos ulteriores
mostraron que todos los superconductores metálicos puros presentaban una intensidad de campo crítica que
les era propia y que estaba claramente definida, siendo usualmente menor de 0,1 tesla; al llegar a este valor, la
superconductividad se extinguía súbitamente.
Las propiedades magnéticas de un superconductor son insólitas incluso para campos inferiores al nivel crítico.
Si se aplica un pequeño campo magnético a un superconductor, aquél induce una sobrecorriente permanente
en la superficie del metal, que excluye el flujo del campo magnético desde el interior. El campo magnético
penetra sólo hasta una capa delgada de la superficie. La longitud hasta la que el campo se extiende dentro del
material denominada profundidad de penetración, suele ser de 10 elevado a −5 centímetros o menor.
En las postrimerías de la década de los treinta, se llegó al conocimiento de que la superconductividad provenía
de una transición de fase entre los electrones de conducción del metal. A temperatura ambiente, los electrones
forman un gas; por debajo de una temperatura crítica de transición, algunos de ellos pasan a una fase de
condensación, la cual posee una energía más baja que la del gas. Faltaba todavía una teoría
mecánico−cuántica de la condensación que se fundara en las interacciones básicas de los electrones.
Dicha teoría fue formulada en 1957 por John Bardeen, Leon N. Cooper y J. Robert Schrieffer, que estaban
entonces en la Universidad de Illnois. Su análisis partía de la idea siguiente: quienes transportan la corriente
eléctrica en un superconductor no son electrones individuales, sino pares de electrones corticales1
entrelazados. Naturalmente todos los electrones tienen la misma carga eléctrica negativa, por cuya razón
tienden de ordinario a repelerse mutuamente, no a unirse entre sí. Sin embargo, en el retículo cristalino de un
metal existe una interacción de atracción entre los electrones, que puede ser mediada por la existencia de iones
metálicos positivos. Los iones positivos son más pesados que los electrones y se mueven mucho más
lentamente; de ahí que se retrase su respuesta ante el paso de un electrón. La persistencia de la respuesta
después del paso de un electrón crea una concentración de carga positiva que atrae al segundo electrón,
apareándose ambos. La fuerza de atracción indirecta entre los electrones es excesivamente débil y, a
temperatura ambiente, es compensada por su agitación térmica. Pero en un metal con una estructura química y
cristalina adecuada y a temperatura próxima al cero absoluto, los electrones pueden reducir su energía total
mediante la condensación en pares. Como todos los pares de electrones poseen necesariamente el mismo
momento2 , el momento de un par no puede modificarse por difusión y, por tanto, no existe resistencia.
3
La teoría introducida por Bardeen, Cooper y Schrieffer daba cuenta, con buen acierto, de la mayoría de las
características básicas del estado de superconduccion, energía reducida de los pares de electrones y existencia
de un campo magnético crítico incluidas. Pero no abordaba otros aspectos de la superconductividad: las
propiedades de las aleaciones superconductoras.
Se afrontó el estudio de las aleaciones superconductoras en la década de los 30. Se descubrió entonces que
algunas presentaban una tolerancia frente a los campos magnéticos mayor que los materiales
superconductores de metal puro.
En 1934, Cornelius J. Gorter, de la universidad de Leyden, y Heinz London, de la universidad de Oxford,
sugirieron independientemente que podía explicarse la región de transición ampliada, característica de las
aleaciones, mediante la formación de dominios superconductores y dominios normales que se alternasen a
través del material.1
En 1953 Brian Pippard, de la universidad de Cambridge, introdujo el concepto de longitud de coherencia en
los superconductores; esta longitud es una medida de la gama de las funciones de onda de mecánica cuántica
que definen los pares de electrones superconductores. La longitud de coherencia también puede caracterizarse
como el espesor mínimo de la interfase entre una región superconductora y otra normal. Pippard halló que la
longitud de coherencia disminuía en las aleaciones con mayor concentración de soluto. Si esta longitud era
menor que la profundidad de penetración, se satisfacía la condición de energía de interfase negativa de Gorter
y London y resultaría una transición más amplia en un campo magnético.
La teoría de Abrikosov. Se crean las categorías.−
Estas ideas recibieron una nueva expresión en 1957 en el trabajo del físico ruso A.A. Abrikosov. Distinguía
dos categorías de superconductores, designadas por tipo I y tipo II. En un campo magnético muy débil, estas
dos clases de materiales actúan de forma muy parecida: ambos expelen completamente el campo. Las
diferencias surgen cuando se intensifica el campo. En los materiales de tipo I, que en su mayor parte son
materiales puros, la corriente de blindaje de la superficie se colapsa y el flujo magnético entra súbitamente en
el material a una intensidad de campo crítica bien definida. Los materiales de tipo II muestran su
superconductividad a través de un proceso más gradual. El flujo magnético empieza a penetrar a una
intensidad de campo baja (el campo crítico más bajo), pero no se elimina la última traza de
superconductividad hasta que se aplica un campo más intenso (el campo crítico superior).
La penetración del flujo magnético en un superconductor del tipo II depende crucialmente de una limitación
de la mecánica cuántica: la existencia de un cuanto mínimo de flujo magnético. Por tanto, el campo del
interior de un superconductor del tipo II no puede crecer continuamente, sino que debe aumentar por pasos,
con un cuanto de flujo cada vez. Abrikosov sugirió que cada cuanto de flujo pasa a través del material dentro
de un canal microscópico de metal resistivo normal. Cada canal está rodeado por un pequeño torbellino de
sobrecorriente, que actúa protegiendo el material superconductor próximo respecto del campo interno del
cuanto de flujo. La función de la corriente en el torbellino es análoga a la de la corriente de blindaje
superficial a intensidades de campo más bajas.
Una sección transversal de tal tipo de torbellino revelaría una región estrecha del núcleo donde el manto
magnético alcanza su valor máximo y donde la densidad de los pares de electrones superconductores es
mínima. Un observador que se desplazara hacia el exterior desde el núcleo comprobaría que la densidad de los
electrones apareados aumentaba y se aproximaba a la densidad de equilibrio característica del material
compacto a una distancia de una longitud de coherencia. A la inversa, el campo magnético disminuiría con la
distancia referida al núcleo, y llegaría a anularse a la distancia de una profundidad de penetración de valor
unidad.
El tipo I o el tipo II de un superconductor dado viene determinado por los valores relativos de la longitud de
4
coherencia y de la profundidad de penetración. En los metales puros y en otros materiales pertenecientes al
tipo I, la longitud de coherencia es mayor que la profundidad de penetración; no se forman torbellinos. El
coste energético invertido en la creación de un torbellino es mayor que el gastado en eliminar completamente
el estado de superconducción. En los materiales del tipo II, la longitud de coherencia es menor que la
profundidad de penetración. Por tanto, sale energéticamente favorecida la formación de torbellinos.
A medida que aumenta el campo magnético aplicado a un superconductor del tipo II, va creciendo el número
de cuantos de flujo enfilados a través del material. Forman típicamente una estructura similar al cristal con
una célula unitaria triangular. Entre los canales del torbellino quedan regiones del metal superconductor; de
este modo persiste la superconductividad en el material compacto. Mientras se mantenga un único filete
contínuo de superconductor, la resistencia medida en la muestra debe ser igual a cero. El superconductor del
tipo II sólo se extingue cuando los torbellinos están agrupados tan estrechamente que no puede existir ese
paso continuo; tal ocurre cuando se alcanza al campo crítico superior.
Aunque el modelo de Abrikosov aportaba una base teórica que permitía comprender los superconductores de
alto campo, no despertó de inmediato ningún interés hacia la tecnología de la superconductividad. La
posibilidad de campos críticos extremadamente altos, mayores de dos teslas, no era obvia, por un lado, y
además, no se consideraba la cuestión de la densidad de corriente.
En busca del superconductor ideal. Nuevos problemas.−
El descubrimiento de superconductores útiles desde el punto de vista tecnológico resultó de la búsqueda de
nuevos materiales de temperatura altamente críticas. T.H Geballe, J.K. Hulm y Bernd T. Matthias de la
Universidad de Chicago, trabajaron con un compuesto superconductor, de niobio−estaño, que se convertía en
superconductor a los 18 grados Kelvin y sostenía una intensidad de corriente de más de 100.000 amperios,
inmerso en campo magnético de casi nueve teslas. Su campo crítico excedía por su parte los 20. El material
era un superconductor del tipo II y cuya longitud de coherencia era mucho más corta que su profundidad de
penetración Gorter y Philip W. Anderson observaron que la corriente en el superconductor ejercía una fuerza
en las líneas de flujo magnético que tendían a empujarlas en ángulo recto con relación a su propio eje y a la
dirección del flujo de la corriente a la vez. El movimiento de las líneas de flujo por la influencia de esta fuerza
podía ocasionar un calentamiento que extinguiese la superconductividad. Se intentaron diversos modos de
acabar con este sobrecalentamiento, pero ninguno con éxito total. Así que se llegó a la conclusión de que los
superconductores de campo y corriente altos reseñan por lo general a malos conductores en estado normal
resistivo.
Desde la década de los 60 se han encontrado varios materiales que satisfacen para trabajar con un campo y
corriente altos. Sólo dos de ellos se han utilizado finalmente en los imanes superconductores, aleaciones de
niobio y titanio. Estos materiales por tanto poseen una longitud de coherencia mucho más pequeña que la
profundidad de penetración.
Ni siquiera disponiendo de los materiales adecuados la fabricación de un imán superconductor resulta una
tarea simple. Si alguna pequeña región del arrollamiento extingue su superconductividad por superar la
densidad de corriente eléctrica, es necesario que los imanes superconductores prácticos pasen seguros al
estado normal. En una bobina de un superconductor puro, esta zona se comportaría como una conexión de alta
resistencia y se vería spometido a un fuerte calentamiento resistivo. El calor desarrollado extinguiría
naturalmente las zonas próximas al superconductor, con lo que no aumentarían las zonas normales. De no
controlarse ese proceso las consecuencias podrían ser terribles. El colapso podría introducir altas tensiones;
éstas podrían destruir el aislamiento y dañar permanentemente la estructura.
Para evitar esto un primer paso sería revestir el superconductor de un conductor normal de baja resistencia,
con cobre, por ejemplo. En el caso de que una región del arrollamiento perdiese su superconductividad, la
corriente de excitación se dirigiría al cobre.
5
Este revestimiento permite que un pequeño imán superconductor pase a salvo hacia el estado resistivo. Pero
en un imán de mayor tamaño la energía sería demasiado grande para disiparse en forma de calor por los
arrollamientos. Para solucionarlo se creó la estabilización criostática. Se aumentó el cobre hasta alcanzar
valores de 20 a 1 en relación al superconductor. Se hizo circular además helio de refrigeración directamente
sobre la superficie de los arrollamientos, para extraer el calor con rapidez. Con ello una pequeña región
resistiva podía eliminarse sin que la temperatura aumentara, deteniéndose el crecimiento de la zona normal,
restableciéndose la superconducción. El mayor conveniente de esta técnica es que reduvce sensiblemente la
densidad de corriente total en el arrollamiento. Para obtener campos más elevados se ha desarrollado una
nueva estrategia, identificando una liberación de energía con su consiguiente elevación de la temperatura a la
que se denominó salto de flujo (producida a medida que cambia el campo en el superconductor). La energía
térmica liberada por un salto de flujo es proporcional al diámetro del hilo superconductor. Por ello es posible
reducir el efecto de las inestabilidades del salto de flujo sustituyendo un conductor único por un conjunto de
pequeños superconductores embebidos en una matriz de un buen conductor normal. La fabricación de tales
conjuntos de microfilamentos es una tecnología muy compleja.
Pero el desarrollo de los conjuntos de multifilamentos no ha eliminado totalmente la fase de ensayo de los
imanes superconductores. El problema ha surgido de nuevo al introducirse imanes mayores. Parece como si al
excitar por primera vez el imán, ,los conductores deban ponerse en condiciones de funcionar pasando a nuevas
posiciones y liberando picos de calor. Además de los picos térmicos provocados por los saltos de flujo y por el
movimiento del conductor, se genera también calor en el arrollamiento magnético por las corrientes de
blindaje inducidas siempre que cambia el campo interno. Muchos imanes de investigación de gran tamaño
como los aceleradores de partículas deben ser alimentados en un régimen de todo−nada, por lo que el campo
varía rapidisimamente. La fabricación de filamentos cada vez menores reduce sensiblemente las llamadas
pérdidas dinámicas. Además se incorporan barreras resistivas entre ellos normalmente a partir de una aleación
de cobre−níquel de alta resistencia. Así, el material final tiene una estructura francamente complicada: un haz
de filamentos finísimos superconductores (torsionados y transpuestos), embebidos cada uno en cobre y aislado
de sus elementos más próximos por una pared delgada de cobre−níquel. Hay en estudio otras maneras de
fabricar superconductores, entre ellas unos del tipo A15 de los que no hablamos por su excesiva complejidad.
Aplicaciones de la tecnología superconductora.−
Quizás la aplicación más sencilla de la tecnología de los superconductores sea la fabricación de imanes fijos
proyectados para generar un campo constante o un campo que sólo cambia muy lentamente. Dentro de unos
años podrían utilizarse en la industria de energía eléctrica. Los imanes superconductores se han mostrado
especialmente útiles en la física de las partículas fundamentales: el de la CERN en Ginebra, el del Fermilab de
Chicago, el anillo en el Brookhaven National Laboratory en EE.UU,
Los imanes superconductores alimentados por corriente continua tienen un gran número de aplicaciones
potenciales en la industria eléctrica: la técnica de generación por magnetohidrodinámica, o simplemente
MHD, que puede sustituir la caldera, la turbina y el alternador de un grupo de potencia que queme carbón o
fuel−oil. Su explicación resultaría muy larga, pero se puede decir que está basado en un campo que desvía los
iones positivos de los negativos en direcciones opuestas de un plasma a alta temperatura.
De la adopción de superconductores en los grandes alternadores cabe esperar varias ventajas. Supondría
acabar con las pérdidas eléctricas en un 50% o más, lo que supondría un ahorro energético considerable. Aun
cuando el coste inicial del alternador superconductor resultase un poco elevado el rendimiento eléctrico
mejorado representaría una ventaja económica. Sólo parte de los ahorros pueden atribuirse directamente a la
eliminación de pérdidas resistivas en los arrollamientos del rotor. Otra economía energética tiene que ver con
la eliminación de la carga de refrigeración normal del rotor. Aunque se ha de contar con un refrigerador de
helio para el rotor superconductor, su consumo de energía es mucho menor que el de los ventiladores
necesarios para refrigerar un rotor de bobinado de cobre.
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Un alternador superconductor será también menor que una máquina en cobre e hierro con la misma capacidad
de potencia, lo que deberá reducir los costos de transporte. Además, las reducciones en tamaño y en peso
factibles gracias a los campos magnéticos más altos de los sistemas superconductores resultan bastante
atractivas para los equipos de aviones y embarcaciones.
Todas estas aplicaciones le auguran mucho futuro a los superconductores. Todavía hay problemas por
resolver, todos esos aumentos de temperatura, la dificultad para encontrar helio, pero la base está ahí, por lo
que pensar en las aplicaciones a gran escala de esta tecnología aparecerán pronto.
1 Tesla = 10.000 gauss. Medida de campo magnético.
2 solenoide: circuito que genera un campo magnético.
3 valores de cresta: los valores máximos del campo magnético.
1 Electrones corticales: Los de la última capa.
2 Momento de un electrón: La fuerza de giro del electrón.
1 dominios: zonas de conducción de la electricidad
7
Jhon Ender Duque V CRF
LA SUPERCONDUCTIVIDAD EN CIRCUITOS DE POTENCIA
(Este trabajo está basado en un ejemplar de la revista Investigación y Ciencia de los años 70)
Para aprovechar los materiales que transportan corriente sin pérdidas, hubo que aguardar hasta la creación de
los superconductores, que soportan altas densidades de corriente y fuertes campos magnéticos.
Los problemas iniciales.−
Un hilo que no ofrece resistencia al paso de una corriente eléctrica permanente suscita la posibilidad de
generar energía eléctrica con un rendimiento cercano al 100% y su transmisión sin pérdidas a largas
distancias. Hay varias razones para explicar porqué no están llenos los circuitos de potencia de
superconductores y porqué no ha sido comercializado todavía ningún generador o línea de transmisión
superconductora.
El primer problema al que tiene que hacer frente esta tecnología es el de la refrigeración. La
superconductividad se consigue sólo a temperaturas próximas al cero absoluto; por lo tanto, se necesita helio
líquido como refrigerante. La necesidad de aparatos criogénicos excluye de partida la aplicación a pequeña
escala de los superconductores; no servirían pues, en los circuitos eléctricos domésticos, por ejemplo. Sin
embargo, en una gran central generadora de energía la refrigeración representa sólo un coste pequeño e
inconvenientes de importancia mínima.
Hasta la década de 1960 existía un impedimento más serio contra la adopción de la tecnología de energía
superconductora: los superconductores conocidos tendían a extinguirse o a ser restablecidos a su estado
resistivo normal, si se les exponía a un fuerte campo magnético o si se les forzaba a transportar una alta
densidad de corriente eléctrica. Las máquinas eléctricas de gran tamaño, como por ejemplo los dinamos,
requieren casi invariablemente un campo magnético intenso y una alta densidad de corriente para funcionar
con eficiencia.
Se han descubierto cierto número de aleaciones y compuestos superconductores no usuales que retienen su
superconductividad incluso cuando se les somete a intensidades de campo y a densidades de corriente
extremadamente altas. Estos materiales poseen también las temperaturas de transición hacia el estado de
superconducción más altas, aunque sigue siendo necesaria la refrigeración por helio. Con la introducción de
estas aleaciones y compuestos, se han salvado los principales obstáculos que se oponían a la creación de un
sistema de potencia de superconducción. Los problemas que restan son más tecnológicos y económicos que
físicos.
Hacia el superconductor.−
Los nuevos superconductores de campo y corrientes altos ofrecen dos ventajas para la industria eléctrica:
pueden transportar grandes corrientes eléctricas a través de un calentamiento resistivo, sin pérdida alguna de
energía, y pueden operar en campos magnéticos muy intensos. Consideradas aisladamente, ambas propiedades
son valiosas; ahora bien, los mayores beneficios se recaban probablemente de su combinación en un material
único. Para explicar este punto convendrá dar un breve repaso a la historia de la tecnología de la energía
eléctrica.
Dos hechos iniciales importantes fueron la invención de la batería electroquímica por Alessandro Volta en
1800 y el descubrimiento realizado en 1819 por Hans Christian Oersted de que la corriente eléctrica que fluía
por un hilo conductor originaba un campo magnético local. En 1830, Michael Faraday, Joseph Henry y otros
hallaron que el campo magnético así generado podía acrecentarse arrollando el conductor en una bobina o
1
hélice dispuesta alrededor de un núcleo de hierro. Tales electroimanes se convirtieron en los bloques centrales
de soporte del equipo de potencia.
El siguiente avance de interés se debe también a Faraday. Nos referimos a su descubrimiento, en 1831, de la
introducción de corriente en un conductor producida cuando éste se mueve a través de un campo magnético.
Más tarde, Faraday construyó modelos de generadores homopolares o de disco rotativo que generan corriente
continua y modelos de bobina giratoria que generan corriente alterna. La explotación industrial de estos
principios se retrasó a 1870, cuando la invención de la luz eléctrica creó un incentivo económico para la
construcción de las redes comunitarias de energía eléctrica. La industria moderna de energía eléctrica se
propagó rápidamente después de 1870 a través de los esfuerzos de inventores−empresarios tales como
Thomas Edison y George Westinghouse.
Las ventajas de transmisión de potencia a altas tensiones y de su generación y su utilización a tensiones
mucho más bajas condujo pronto a la industria a adoptar la corriente alterna, por cuanto la transformación de
tensión resultaba relativamente sencilla. A medida que los alternadores de las estaciones centrales aumentaron
de tamaño, el modelo de generador Faraday fue evolucionando. Se hizo girar el electroimán en el centro de la
máquina y se generó la potencia en bobinas fijas que rodeaban el imán. El desarrollo intensivo de esta idea en
el siglo pasado permitió conseguir potencias de salida de más de 1000 megavatios en un solo alternador. En
principio, con 400 máquinas de este tipo se podría cubrir la potencia actual consumida por los Estados
Unidos.
Todas las máquinas eléctricas actuales se excitan mediante electroimanes que emplean bobinados de cobre.
En estos aparatos, la mayor parte del flujo magnético proviene de la alta permeabilidad ferromagnética del
hierro o de las aleaciones de hierro; los bobinados de cobre se limitan a aplicar un pequeño campo excitador al
núcleo de hierro. Cada átomo de hierro, o de otro material ferromagnético, posee un momento magnético que
puede ser inducido a alinearse con un campo magnético impuesto desde fuera. La proporción de momentos
atómicos alineados depende de la tensión del campo aplicado, y por tanto, de la corriente de excitación.
Incluso con una corriente relativamente pequeña, la mayoría de los momentos magnéticos están alineados,
dando como resultado que la magnitud del campo magnético total supere en mucho a la atribuida a los propios
abobinados aislados. Por consiguiente, la función del núcleo de hierro es acrecentar el campo magnético
generado por la corriente de excitación
Este proceso tiene un límite obvio; una vez que los momentos atómicos son paralelos, los incrementos
ulteriores que puedan registrarse en la corriente de excitación no inciden ya en la magnetización. Se dice
entonces que el núcleo está saturado. En el caso del hierro, la saturación se alcanza para una intensidad de
campo de unas dos tesla, es decir, unos 20.000 gauss. (Para poder comparar, el campo magnético en la
superficie de la tierra tiene un valor medio de un gauss aproximadamente). Los imanes, las máquinas
eléctricas y los restantes componentes del sistema de potencia están actualmente limitados en su rendimiento
por la barrera de la saturación.
La barrera de flujo de dos tesla de la tecnología de potencia eléctrica no es rígida; podemos franquearla en el
laboratorio de múltiples formas. Por ejemplo, el nivel de flujo de saturación de ciertos metales raros, tales
como el dysprosium, se aproxima a cuatro tesla a baja temperatura. También pueden obtenerse campos
magnéticos permanentes superiores a 20 tesla con bobinas solenoides2 de cobre de alta potencia refrigeradas
por agua, del tipo de las que desarrollara, por primera vez Francis Bitter hacia el año 1935. Mediante las
técnicas avanzadas por Peter Kapitza, en 1920, o por la compresión explosiva del flujo magnético en una
envoltura metálica, pueden alcanzarse campos de corta duración con valores de cresta3 todavía más
conspicuos.
Se precisa de una potencia enorme para excitar los imanes de tales bobinas de solenoide de cobre y hay que
bombear grandes volúmenes de agua a través de los arrollamientos para mantenerlos fuera del estado de
fusión. Estos métodos tan bastos son adecuados para la investigación, pero no sirven para las aplicaciones
2
diarias del sistema de potencia eléctrica. Aun cuando este tipo de imán pudiera actuar con fiabilidad en un
generador, la energía consumida en sus arrollamientos sobrepasaría con creces la ganancia que pudiera
obtenerse en el rendimiento resultante del campo magnético más intenso.
Las grandes cantidades de energía disipadas en los arrollamientos de un imán de cobre no se necesitan para
mantener el campo magnético. Al contrario, no se precisa de energía alguna para mantener un campo
magnético permanente una vez establecido éste. La energía se pierde en la compensación de la resistencia del
cobre frente a la circulación de la corriente de excitación. De aquí se sigue que un imán superconductor, que
tiene una resistencia nula, puede mantener un campo magnético sin la entrada de energía. La intensidad
máxima del campo magnético no viene limitada por los requerimientos de potencia o por la disipación de
calor, sino únicamente por las propiedades intrínsecas del material superconductor
(Este trabajo está basado en un ejemplar de la revista Investigación y Ciencia de los años 70)
Para aprovechar los materiales que transportan corriente sin pérdidas, hubo que aguardar hasta la creación de
los superconductores, que soportan altas densidades de corriente y fuertes campos magnéticos.
Los problemas iniciales.−
Un hilo que no ofrece resistencia al paso de una corriente eléctrica permanente suscita la posibilidad de
generar energía eléctrica con un rendimiento cercano al 100% y su transmisión sin pérdidas a largas
distancias. Hay varias razones para explicar porqué no están llenos los circuitos de potencia de
superconductores y porqué no ha sido comercializado todavía ningún generador o línea de transmisión
superconductora.
El primer problema al que tiene que hacer frente esta tecnología es el de la refrigeración. La
superconductividad se consigue sólo a temperaturas próximas al cero absoluto; por lo tanto, se necesita helio
líquido como refrigerante. La necesidad de aparatos criogénicos excluye de partida la aplicación a pequeña
escala de los superconductores; no servirían pues, en los circuitos eléctricos domésticos, por ejemplo. Sin
embargo, en una gran central generadora de energía la refrigeración representa sólo un coste pequeño e
inconvenientes de importancia mínima.
Hasta la década de 1960 existía un impedimento más serio contra la adopción de la tecnología de energía
superconductora: los superconductores conocidos tendían a extinguirse o a ser restablecidos a su estado
resistivo normal, si se les exponía a un fuerte campo magnético o si se les forzaba a transportar una alta
densidad de corriente eléctrica. Las máquinas eléctricas de gran tamaño, como por ejemplo los dinamos,
requieren casi invariablemente un campo magnético intenso y una alta densidad de corriente para funcionar
con eficiencia.
Se han descubierto cierto número de aleaciones y compuestos superconductores no usuales que retienen su
superconductividad incluso cuando se les somete a intensidades de campo y a densidades de corriente
extremadamente altas. Estos materiales poseen también las temperaturas de transición hacia el estado de
superconducción más altas, aunque sigue siendo necesaria la refrigeración por helio. Con la introducción de
estas aleaciones y compuestos, se han salvado los principales obstáculos que se oponían a la creación de un
sistema de potencia de superconducción. Los problemas que restan son más tecnológicos y económicos que
físicos.
Hacia el superconductor.−
Los nuevos superconductores de campo y corrientes altos ofrecen dos ventajas para la industria eléctrica:
pueden transportar grandes corrientes eléctricas a través de un calentamiento resistivo, sin pérdida alguna de
energía, y pueden operar en campos magnéticos muy intensos. Consideradas aisladamente, ambas propiedades
son valiosas; ahora bien, los mayores beneficios se recaban probablemente de su combinación en un material
único. Para explicar este punto convendrá dar un breve repaso a la historia de la tecnología de la energía
eléctrica.
Dos hechos iniciales importantes fueron la invención de la batería electroquímica por Alessandro Volta en
1800 y el descubrimiento realizado en 1819 por Hans Christian Oersted de que la corriente eléctrica que fluía
por un hilo conductor originaba un campo magnético local. En 1830, Michael Faraday, Joseph Henry y otros
hallaron que el campo magnético así generado podía acrecentarse arrollando el conductor en una bobina o
1
hélice dispuesta alrededor de un núcleo de hierro. Tales electroimanes se convirtieron en los bloques centrales
de soporte del equipo de potencia.
El siguiente avance de interés se debe también a Faraday. Nos referimos a su descubrimiento, en 1831, de la
introducción de corriente en un conductor producida cuando éste se mueve a través de un campo magnético.
Más tarde, Faraday construyó modelos de generadores homopolares o de disco rotativo que generan corriente
continua y modelos de bobina giratoria que generan corriente alterna. La explotación industrial de estos
principios se retrasó a 1870, cuando la invención de la luz eléctrica creó un incentivo económico para la
construcción de las redes comunitarias de energía eléctrica. La industria moderna de energía eléctrica se
propagó rápidamente después de 1870 a través de los esfuerzos de inventores−empresarios tales como
Thomas Edison y George Westinghouse.
Las ventajas de transmisión de potencia a altas tensiones y de su generación y su utilización a tensiones
mucho más bajas condujo pronto a la industria a adoptar la corriente alterna, por cuanto la transformación de
tensión resultaba relativamente sencilla. A medida que los alternadores de las estaciones centrales aumentaron
de tamaño, el modelo de generador Faraday fue evolucionando. Se hizo girar el electroimán en el centro de la
máquina y se generó la potencia en bobinas fijas que rodeaban el imán. El desarrollo intensivo de esta idea en
el siglo pasado permitió conseguir potencias de salida de más de 1000 megavatios en un solo alternador. En
principio, con 400 máquinas de este tipo se podría cubrir la potencia actual consumida por los Estados
Unidos.
Todas las máquinas eléctricas actuales se excitan mediante electroimanes que emplean bobinados de cobre.
En estos aparatos, la mayor parte del flujo magnético proviene de la alta permeabilidad ferromagnética del
hierro o de las aleaciones de hierro; los bobinados de cobre se limitan a aplicar un pequeño campo excitador al
núcleo de hierro. Cada átomo de hierro, o de otro material ferromagnético, posee un momento magnético que
puede ser inducido a alinearse con un campo magnético impuesto desde fuera. La proporción de momentos
atómicos alineados depende de la tensión del campo aplicado, y por tanto, de la corriente de excitación.
Incluso con una corriente relativamente pequeña, la mayoría de los momentos magnéticos están alineados,
dando como resultado que la magnitud del campo magnético total supere en mucho a la atribuida a los propios
abobinados aislados. Por consiguiente, la función del núcleo de hierro es acrecentar el campo magnético
generado por la corriente de excitación
Este proceso tiene un límite obvio; una vez que los momentos atómicos son paralelos, los incrementos
ulteriores que puedan registrarse en la corriente de excitación no inciden ya en la magnetización. Se dice
entonces que el núcleo está saturado. En el caso del hierro, la saturación se alcanza para una intensidad de
campo de unas dos tesla, es decir, unos 20.000 gauss. (Para poder comparar, el campo magnético en la
superficie de la tierra tiene un valor medio de un gauss aproximadamente). Los imanes, las máquinas
eléctricas y los restantes componentes del sistema de potencia están actualmente limitados en su rendimiento
por la barrera de la saturación.
La barrera de flujo de dos tesla de la tecnología de potencia eléctrica no es rígida; podemos franquearla en el
laboratorio de múltiples formas. Por ejemplo, el nivel de flujo de saturación de ciertos metales raros, tales
como el dysprosium, se aproxima a cuatro tesla a baja temperatura. También pueden obtenerse campos
magnéticos permanentes superiores a 20 tesla con bobinas solenoides2 de cobre de alta potencia refrigeradas
por agua, del tipo de las que desarrollara, por primera vez Francis Bitter hacia el año 1935. Mediante las
técnicas avanzadas por Peter Kapitza, en 1920, o por la compresión explosiva del flujo magnético en una
envoltura metálica, pueden alcanzarse campos de corta duración con valores de cresta3 todavía más
conspicuos.
Se precisa de una potencia enorme para excitar los imanes de tales bobinas de solenoide de cobre y hay que
bombear grandes volúmenes de agua a través de los arrollamientos para mantenerlos fuera del estado de
fusión. Estos métodos tan bastos son adecuados para la investigación, pero no sirven para las aplicaciones
2
diarias del sistema de potencia eléctrica. Aun cuando este tipo de imán pudiera actuar con fiabilidad en un
generador, la energía consumida en sus arrollamientos sobrepasaría con creces la ganancia que pudiera
obtenerse en el rendimiento resultante del campo magnético más intenso.
Las grandes cantidades de energía disipadas en los arrollamientos de un imán de cobre no se necesitan para
mantener el campo magnético. Al contrario, no se precisa de energía alguna para mantener un campo
magnético permanente una vez establecido éste. La energía se pierde en la compensación de la resistencia del
cobre frente a la circulación de la corriente de excitación. De aquí se sigue que un imán superconductor, que
tiene una resistencia nula, puede mantener un campo magnético sin la entrada de energía. La intensidad
máxima del campo magnético no viene limitada por los requerimientos de potencia o por la disipación de
calor, sino únicamente por las propiedades intrínsecas del material superconductor
Jhon Ender Duque V CRF
LA SUPERCONDUCTIVIDAD EN CIRCUITOS DE POTENCIA
(Este trabajo está basado en un ejemplar de la revista Investigación y Ciencia de los años 70)
Para aprovechar los materiales que transportan corriente sin pérdidas, hubo que aguardar hasta la creación de
los superconductores, que soportan altas densidades de corriente y fuertes campos magnéticos.
Los problemas iniciales.−
Un hilo que no ofrece resistencia al paso de una corriente eléctrica permanente suscita la posibilidad de
generar energía eléctrica con un rendimiento cercano al 100% y su transmisión sin pérdidas a largas
distancias. Hay varias razones para explicar porqué no están llenos los circuitos de potencia de
superconductores y porqué no ha sido comercializado todavía ningún generador o línea de transmisión
superconductora.
El primer problema al que tiene que hacer frente esta tecnología es el de la refrigeración. La
superconductividad se consigue sólo a temperaturas próximas al cero absoluto; por lo tanto, se necesita helio
líquido como refrigerante. La necesidad de aparatos criogénicos excluye de partida la aplicación a pequeña
escala de los superconductores; no servirían pues, en los circuitos eléctricos domésticos, por ejemplo. Sin
embargo, en una gran central generadora de energía la refrigeración representa sólo un coste pequeño e
inconvenientes de importancia mínima.
Hasta la década de 1960 existía un impedimento más serio contra la adopción de la tecnología de energía
superconductora: los superconductores conocidos tendían a extinguirse o a ser restablecidos a su estado
resistivo normal, si se les exponía a un fuerte campo magnético o si se les forzaba a transportar una alta
densidad de corriente eléctrica. Las máquinas eléctricas de gran tamaño, como por ejemplo los dinamos,
requieren casi invariablemente un campo magnético intenso y una alta densidad de corriente para funcionar
con eficiencia.
Se han descubierto cierto número de aleaciones y compuestos superconductores no usuales que retienen su
superconductividad incluso cuando se les somete a intensidades de campo y a densidades de corriente
extremadamente altas. Estos materiales poseen también las temperaturas de transición hacia el estado de
superconducción más altas, aunque sigue siendo necesaria la refrigeración por helio. Con la introducción de
estas aleaciones y compuestos, se han salvado los principales obstáculos que se oponían a la creación de un
sistema de potencia de superconducción. Los problemas que restan son más tecnológicos y económicos que
físicos.
Hacia el superconductor.−
Los nuevos superconductores de campo y corrientes altos ofrecen dos ventajas para la industria eléctrica:
pueden transportar grandes corrientes eléctricas a través de un calentamiento resistivo, sin pérdida alguna de
energía, y pueden operar en campos magnéticos muy intensos. Consideradas aisladamente, ambas propiedades
son valiosas; ahora bien, los mayores beneficios se recaban probablemente de su combinación en un material
único. Para explicar este punto convendrá dar un breve repaso a la historia de la tecnología de la energía
eléctrica.
Dos hechos iniciales importantes fueron la invención de la batería electroquímica por Alessandro Volta en
1800 y el descubrimiento realizado en 1819 por Hans Christian Oersted de que la corriente eléctrica que fluía
por un hilo conductor originaba un campo magnético local. En 1830, Michael Faraday, Joseph Henry y otros
hallaron que el campo magnético así generado podía acrecentarse arrollando el conductor en una bobina o
1
hélice dispuesta alrededor de un núcleo de hierro. Tales electroimanes se convirtieron en los bloques centrales
de soporte del equipo de potencia.
El siguiente avance de interés se debe también a Faraday. Nos referimos a su descubrimiento, en 1831, de la
introducción de corriente en un conductor producida cuando éste se mueve a través de un campo magnético.
Más tarde, Faraday construyó modelos de generadores homopolares o de disco rotativo que generan corriente
continua y modelos de bobina giratoria que generan corriente alterna. La explotación industrial de estos
principios se retrasó a 1870, cuando la invención de la luz eléctrica creó un incentivo económico para la
construcción de las redes comunitarias de energía eléctrica. La industria moderna de energía eléctrica se
propagó rápidamente después de 1870 a través de los esfuerzos de inventores−empresarios tales como
Thomas Edison y George Westinghouse.
Las ventajas de transmisión de potencia a altas tensiones y de su generación y su utilización a tensiones
mucho más bajas condujo pronto a la industria a adoptar la corriente alterna, por cuanto la transformación de
tensión resultaba relativamente sencilla. A medida que los alternadores de las estaciones centrales aumentaron
de tamaño, el modelo de generador Faraday fue evolucionando. Se hizo girar el electroimán en el centro de la
máquina y se generó la potencia en bobinas fijas que rodeaban el imán. El desarrollo intensivo de esta idea en
el siglo pasado permitió conseguir potencias de salida de más de 1000 megavatios en un solo alternador. En
principio, con 400 máquinas de este tipo se podría cubrir la potencia actual consumida por los Estados
Unidos.
Todas las máquinas eléctricas actuales se excitan mediante electroimanes que emplean bobinados de cobre.
En estos aparatos, la mayor parte del flujo magnético proviene de la alta permeabilidad ferromagnética del
hierro o de las aleaciones de hierro; los bobinados de cobre se limitan a aplicar un pequeño campo excitador al
núcleo de hierro. Cada átomo de hierro, o de otro material ferromagnético, posee un momento magnético que
puede ser inducido a alinearse con un campo magnético impuesto desde fuera. La proporción de momentos
atómicos alineados depende de la tensión del campo aplicado, y por tanto, de la corriente de excitación.
Incluso con una corriente relativamente pequeña, la mayoría de los momentos magnéticos están alineados,
dando como resultado que la magnitud del campo magnético total supere en mucho a la atribuida a los propios
abobinados aislados. Por consiguiente, la función del núcleo de hierro es acrecentar el campo magnético
generado por la corriente de excitación
Este proceso tiene un límite obvio; una vez que los momentos atómicos son paralelos, los incrementos
ulteriores que puedan registrarse en la corriente de excitación no inciden ya en la magnetización. Se dice
entonces que el núcleo está saturado. En el caso del hierro, la saturación se alcanza para una intensidad de
campo de unas dos tesla, es decir, unos 20.000 gauss. (Para poder comparar, el campo magnético en la
superficie de la tierra tiene un valor medio de un gauss aproximadamente). Los imanes, las máquinas
eléctricas y los restantes componentes del sistema de potencia están actualmente limitados en su rendimiento
por la barrera de la saturación.
La barrera de flujo de dos tesla de la tecnología de potencia eléctrica no es rígida; podemos franquearla en el
laboratorio de múltiples formas. Por ejemplo, el nivel de flujo de saturación de ciertos metales raros, tales
como el dysprosium, se aproxima a cuatro tesla a baja temperatura. También pueden obtenerse campos
magnéticos permanentes superiores a 20 tesla con bobinas solenoides2 de cobre de alta potencia refrigeradas
por agua, del tipo de las que desarrollara, por primera vez Francis Bitter hacia el año 1935. Mediante las
técnicas avanzadas por Peter Kapitza, en 1920, o por la compresión explosiva del flujo magnético en una
envoltura metálica, pueden alcanzarse campos de corta duración con valores de cresta3 todavía más
conspicuos.
Se precisa de una potencia enorme para excitar los imanes de tales bobinas de solenoide de cobre y hay que
bombear grandes volúmenes de agua a través de los arrollamientos para mantenerlos fuera del estado de
fusión. Estos métodos tan bastos son adecuados para la investigación, pero no sirven para las aplicaciones
2
diarias del sistema de potencia eléctrica. Aun cuando este tipo de imán pudiera actuar con fiabilidad en un
generador, la energía consumida en sus arrollamientos sobrepasaría con creces la ganancia que pudiera
obtenerse en el rendimiento resultante del campo magnético más intenso.
Las grandes cantidades de energía disipadas en los arrollamientos de un imán de cobre no se necesitan para
mantener el campo magnético. Al contrario, no se precisa de energía alguna para mantener un campo
magnético permanente una vez establecido éste. La energía se pierde en la compensación de la resistencia del
cobre frente a la circulación de la corriente de excitación. De aquí se sigue que un imán superconductor, que
tiene una resistencia nula, puede mantener un campo magnético sin la entrada de energía. La intensidad
máxima del campo magnético no viene limitada por los requerimientos de potencia o por la disipación de
calor, sino únicamente por las propiedades intrínsecas del material superconductor
(Este trabajo está basado en un ejemplar de la revista Investigación y Ciencia de los años 70)
Para aprovechar los materiales que transportan corriente sin pérdidas, hubo que aguardar hasta la creación de
los superconductores, que soportan altas densidades de corriente y fuertes campos magnéticos.
Los problemas iniciales.−
Un hilo que no ofrece resistencia al paso de una corriente eléctrica permanente suscita la posibilidad de
generar energía eléctrica con un rendimiento cercano al 100% y su transmisión sin pérdidas a largas
distancias. Hay varias razones para explicar porqué no están llenos los circuitos de potencia de
superconductores y porqué no ha sido comercializado todavía ningún generador o línea de transmisión
superconductora.
El primer problema al que tiene que hacer frente esta tecnología es el de la refrigeración. La
superconductividad se consigue sólo a temperaturas próximas al cero absoluto; por lo tanto, se necesita helio
líquido como refrigerante. La necesidad de aparatos criogénicos excluye de partida la aplicación a pequeña
escala de los superconductores; no servirían pues, en los circuitos eléctricos domésticos, por ejemplo. Sin
embargo, en una gran central generadora de energía la refrigeración representa sólo un coste pequeño e
inconvenientes de importancia mínima.
Hasta la década de 1960 existía un impedimento más serio contra la adopción de la tecnología de energía
superconductora: los superconductores conocidos tendían a extinguirse o a ser restablecidos a su estado
resistivo normal, si se les exponía a un fuerte campo magnético o si se les forzaba a transportar una alta
densidad de corriente eléctrica. Las máquinas eléctricas de gran tamaño, como por ejemplo los dinamos,
requieren casi invariablemente un campo magnético intenso y una alta densidad de corriente para funcionar
con eficiencia.
Se han descubierto cierto número de aleaciones y compuestos superconductores no usuales que retienen su
superconductividad incluso cuando se les somete a intensidades de campo y a densidades de corriente
extremadamente altas. Estos materiales poseen también las temperaturas de transición hacia el estado de
superconducción más altas, aunque sigue siendo necesaria la refrigeración por helio. Con la introducción de
estas aleaciones y compuestos, se han salvado los principales obstáculos que se oponían a la creación de un
sistema de potencia de superconducción. Los problemas que restan son más tecnológicos y económicos que
físicos.
Hacia el superconductor.−
Los nuevos superconductores de campo y corrientes altos ofrecen dos ventajas para la industria eléctrica:
pueden transportar grandes corrientes eléctricas a través de un calentamiento resistivo, sin pérdida alguna de
energía, y pueden operar en campos magnéticos muy intensos. Consideradas aisladamente, ambas propiedades
son valiosas; ahora bien, los mayores beneficios se recaban probablemente de su combinación en un material
único. Para explicar este punto convendrá dar un breve repaso a la historia de la tecnología de la energía
eléctrica.
Dos hechos iniciales importantes fueron la invención de la batería electroquímica por Alessandro Volta en
1800 y el descubrimiento realizado en 1819 por Hans Christian Oersted de que la corriente eléctrica que fluía
por un hilo conductor originaba un campo magnético local. En 1830, Michael Faraday, Joseph Henry y otros
hallaron que el campo magnético así generado podía acrecentarse arrollando el conductor en una bobina o
1
hélice dispuesta alrededor de un núcleo de hierro. Tales electroimanes se convirtieron en los bloques centrales
de soporte del equipo de potencia.
El siguiente avance de interés se debe también a Faraday. Nos referimos a su descubrimiento, en 1831, de la
introducción de corriente en un conductor producida cuando éste se mueve a través de un campo magnético.
Más tarde, Faraday construyó modelos de generadores homopolares o de disco rotativo que generan corriente
continua y modelos de bobina giratoria que generan corriente alterna. La explotación industrial de estos
principios se retrasó a 1870, cuando la invención de la luz eléctrica creó un incentivo económico para la
construcción de las redes comunitarias de energía eléctrica. La industria moderna de energía eléctrica se
propagó rápidamente después de 1870 a través de los esfuerzos de inventores−empresarios tales como
Thomas Edison y George Westinghouse.
Las ventajas de transmisión de potencia a altas tensiones y de su generación y su utilización a tensiones
mucho más bajas condujo pronto a la industria a adoptar la corriente alterna, por cuanto la transformación de
tensión resultaba relativamente sencilla. A medida que los alternadores de las estaciones centrales aumentaron
de tamaño, el modelo de generador Faraday fue evolucionando. Se hizo girar el electroimán en el centro de la
máquina y se generó la potencia en bobinas fijas que rodeaban el imán. El desarrollo intensivo de esta idea en
el siglo pasado permitió conseguir potencias de salida de más de 1000 megavatios en un solo alternador. En
principio, con 400 máquinas de este tipo se podría cubrir la potencia actual consumida por los Estados
Unidos.
Todas las máquinas eléctricas actuales se excitan mediante electroimanes que emplean bobinados de cobre.
En estos aparatos, la mayor parte del flujo magnético proviene de la alta permeabilidad ferromagnética del
hierro o de las aleaciones de hierro; los bobinados de cobre se limitan a aplicar un pequeño campo excitador al
núcleo de hierro. Cada átomo de hierro, o de otro material ferromagnético, posee un momento magnético que
puede ser inducido a alinearse con un campo magnético impuesto desde fuera. La proporción de momentos
atómicos alineados depende de la tensión del campo aplicado, y por tanto, de la corriente de excitación.
Incluso con una corriente relativamente pequeña, la mayoría de los momentos magnéticos están alineados,
dando como resultado que la magnitud del campo magnético total supere en mucho a la atribuida a los propios
abobinados aislados. Por consiguiente, la función del núcleo de hierro es acrecentar el campo magnético
generado por la corriente de excitación
Este proceso tiene un límite obvio; una vez que los momentos atómicos son paralelos, los incrementos
ulteriores que puedan registrarse en la corriente de excitación no inciden ya en la magnetización. Se dice
entonces que el núcleo está saturado. En el caso del hierro, la saturación se alcanza para una intensidad de
campo de unas dos tesla, es decir, unos 20.000 gauss. (Para poder comparar, el campo magnético en la
superficie de la tierra tiene un valor medio de un gauss aproximadamente). Los imanes, las máquinas
eléctricas y los restantes componentes del sistema de potencia están actualmente limitados en su rendimiento
por la barrera de la saturación.
La barrera de flujo de dos tesla de la tecnología de potencia eléctrica no es rígida; podemos franquearla en el
laboratorio de múltiples formas. Por ejemplo, el nivel de flujo de saturación de ciertos metales raros, tales
como el dysprosium, se aproxima a cuatro tesla a baja temperatura. También pueden obtenerse campos
magnéticos permanentes superiores a 20 tesla con bobinas solenoides2 de cobre de alta potencia refrigeradas
por agua, del tipo de las que desarrollara, por primera vez Francis Bitter hacia el año 1935. Mediante las
técnicas avanzadas por Peter Kapitza, en 1920, o por la compresión explosiva del flujo magnético en una
envoltura metálica, pueden alcanzarse campos de corta duración con valores de cresta3 todavía más
conspicuos.
Se precisa de una potencia enorme para excitar los imanes de tales bobinas de solenoide de cobre y hay que
bombear grandes volúmenes de agua a través de los arrollamientos para mantenerlos fuera del estado de
fusión. Estos métodos tan bastos son adecuados para la investigación, pero no sirven para las aplicaciones
2
diarias del sistema de potencia eléctrica. Aun cuando este tipo de imán pudiera actuar con fiabilidad en un
generador, la energía consumida en sus arrollamientos sobrepasaría con creces la ganancia que pudiera
obtenerse en el rendimiento resultante del campo magnético más intenso.
Las grandes cantidades de energía disipadas en los arrollamientos de un imán de cobre no se necesitan para
mantener el campo magnético. Al contrario, no se precisa de energía alguna para mantener un campo
magnético permanente una vez establecido éste. La energía se pierde en la compensación de la resistencia del
cobre frente a la circulación de la corriente de excitación. De aquí se sigue que un imán superconductor, que
tiene una resistencia nula, puede mantener un campo magnético sin la entrada de energía. La intensidad
máxima del campo magnético no viene limitada por los requerimientos de potencia o por la disipación de
calor, sino únicamente por las propiedades intrínsecas del material superconductor
Jhon Ender Duque V CRF
QUE SON LOS SUPERCONDUCTORES ?
Los superconductores son unos materiales capaces de permitir el paso de la corriente eléctrica presentando
una resistencia prácticamente nula. Cuando fluye corriente a través de un superconductor, no se produce
ninguna pérdida de energía eléctrica.
Con un oscilador, por ejemplo un columpio, se puede hacer una buena analogía de la superconductividad. Por
muy fuerte que se empuje un columpio, este siempre se acabará deteniéndose. La energía suministrada por
nuestros brazos se perderá por rozamiento de columpio con el aire, y mas significativamente por fricción de
las cadenas o engranajes con la estructura que soporta el columpio, y por efecto de la gravedad terrestre.
Ahora imaginemos un columpio que nunca se detuviera. Una vez empujado seguiría oscilando eternamente.
En un conductor convencional, un impulso de corriente eléctrica se atenuaría rápidamente hasta desaparecer
debido a la resistencia. Sin embargo en un superconductor la corriente puede fluir eternamente, puesto que no
hay nada que se ponga a ello.
Onnes, el físico holandés, continuó sus investigaciones buscando superconductividad en muchos materiales.
En cada caso el material debía ser enfriado a temperaturas próximas al cero absoluto (cero Kelvin). Este
2
enfriamiento se realizaba sumergiendo el futuro superconductor en helio liquido. El helio se licua a 4°k. Una
vez el material se había refrigerado a esa temperatura, se convertía en un superconductor.
Aspectos Históricos importantes.
A pesar de la gran importancia de este efecto, no se desarrolló ninguna aplicación útil hasta unas décadas mas
tarde de su descubrimiento. El principal obstáculo que presentaba el desarrollo de aplicaciones era la
necesidad de emplear temperaturas extremadamente bajas. El equipo necesario para hacer el helio líquido que
enfriaba el superconductor a la temperatura requerida era caro y complejo, problema que se sigue presentando
en la actualidad. Otro problema importante era la incapacidad del superconductor para resistir campos
magnéticos intensos.
los principios físicos de la superconductividad no se comprendieron hasta 1957, cuando los físicos
estadounidenses John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer propusieron una teoría que ahora se
conoce como teoría BCS por las iniciales de sus apellidos, y por la que sus autores recibieron el Premio Nobel
de Física en 1972. La teoría BCS describe la superconductividad como un fenómeno cuántico, en el que los
electrones de conducción se desplazan en pares, que no muestran resistencia eléctrica. Esta teoría explicaba
satisfactoriamente la superconducción a altas temperaturas en los metales, pero no en los materiales
cerámicos. En 1962, el físico británico Brian Josephson estudió la naturaleza cuántica de la
superconductividad y predijo la existencia de oscilaciones en la corriente eléctrica que fluye a través de dos
superconductores separados por una delgada capa aislante en un campo eléctrico o magnético. Este fenómeno,
conocido como efecto Josephson, fue posteriormente confirmado experimentalmente.
Los científicos han usado electroimanes para generar campos magnéticos desde hace mucho tiempo. Haciendo
fluir corriente eléctrica por un anillo conductor se induce campo magnético. Sustituyendo el conductor por un
superconductor y enfriándolo a la temperatura necesaria, podría ser posible generar campos magnéticos
mucho mas potentes debido a la falta de resistencia, y por tanto de generación de calor en el anillo. Sin
embargo, esto no pudo hacerse en un principio. Cuando el campo magnético alcanzaba una determinada
intensidad, el superconductor perdía sus propiedades y se comportaba como un conductor ordinario. Hasta la
década de los cuarenta no se resolvieron los problemas de los campos magnéticos y solo muy recientemente
se ha superado el problema de las bajas temperaturas.
Figura 2. John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer ganadores del premio nóbel de física en
1972.
Introducción a la superconductividad eléctrica
La Superconductividad Frente al paso de una corriente eléctrica, los metales ofrecen una cierta resistencia:
parte de la electricidad se transforma en calor y ello permite innumerables aplicaciones, como la plancha, la
tostadora o el calefactor eléctrico. Pero, en otros usos de la electricidad, sobre todo en su transmisión a través
de cables, no resulta económico que aquella se pierda en forma de calor. En el año 1911 el físico holandés
Heike Kamerlingh Onnes descubrió que ciertos metales conducen la electricidad sin resistencia siempre y
cuando se los haga "tiritar" cerca de la temperatura mas baja posible, unos 273 grados centígrados bajo cero.
3
Dado que conseguir temperaturas tan bajas resulta muy costoso, el gran objetivo de la ciencia es encontrar
materiales superconductores que operen a temperaturas mas altas. Por ello, en el año 1986 se produjo un
"boom" cuando los físicos K. A. Muller y J. G. Bednorz encontraron que un material cerámico podía ser
superconductor a una temperatura un poco mas alta, unos 240 grados centígrados bajo cero. Desde entonces se
han descubierto un gran numero de compuestos que presentan superconductividad si se los enfría solo con aire
liquido, lo que permitirá aplicaciones tecnológicas prometedoras. ¿Que se hace en superconductividad en
Exactas?
Tipos de superconductores
Existen diferencias importantes entre los superconductores que permiten clasificarlos en dos grandes grupos
como veremos a continuación:
Superconductores tipo I: La categoría de superconductores tipo I está comprendida principalmente por
metales puros los cuales presentan algún tipo de conductividad a temperatura ambiente; estos materiales
requieren increíbles temperaturas de enfriamiento. Esta categoría de materiales fue descubierta primero y a
continuación tenemos una lista de estos materiales con su respectiva temperatura de transición.
ELEMENTO
TEMPERATURA DE
TRANSICIÓN (TC) °k
PLOMO 7.2°K
LANTANO 4.9°K
TANTALIO 4.47°K
MERCURIO (PRIMER ELEMENTO
SUPERCONDUCTOR DESCUBIERTO
EN 1911)
4.15°K
ESTAÑO 3.72°K
INDIO 3.40°K
TALIO 1.70°K
RENIO 1.697°K
PROTACTINIO 1.4°K
TORIO 1.38°K
ALUMINIO 1.175°K
GALIO 1.10°K
GADOLINIO 1.083°K
MOLIBDENO 0.915°K
ZINC 0.85°K
OSMIO 0.66°K
ZIRCONIO 0.61°K
ELEMENTO
TEMPERATURA DE
TRANSICIÓN (TC ) °K
AMERICIO 0.6°K
CADMIO 0.517°K
RUTENIO 0.49°K
TITANIO 0.40°K
URANIO 0.20°K
HAFNIO 0.128°K
4
LUTECIO 0.1125°K
BERILIO 0.1°K
TUNGSTENO 0.026°K
PLATINO 0.0019°K
RODIO 0.000325°K
Tabla 1. Elementos superconductores tipo I
Otros elementos pueden ser llevados a estado de superconductividad por medio de la aplicación de alta
presión cuyo valor puede ser de miles de atmósferas. En la tabla periódica vemos una lista de estos materiales
así como los mencionados anteriormente.
figura 4. Elementos superconductores conocidos
Los superconductores tipo I son llamados superconductores ideales.
Kamerling Onnes también observó que al cualquier temperatura T, tal que T
critico.
5
figura 5. Gráfica de Tc VS R de un material superconductor tipo I
Superconductores tipo II. El comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de los metales
superconductores más refractarios es complejo e individual, particularmente con respecto a la forma como
resultan afectados en el estado superconductor en presencia de un campo magnético. A estos
superconductores se les ha dado el nombre de superconductores tipo II.
figura 6. Curva de respuesta T vs R de un material superconductor tipo II
En 1957 por primera vez, el científico soviético Abrikosov Publicó un estudio teórico en el que señalaba que
podía haber otra clase de superconductores con propiedades diferentes de los estudiados hasta entonces. Daba
como característica esencial de estos materiales el hecho de que presentan una energía superficial negativa
para fronteras que separan la parte que se encuentra en estado normal de la parte que se encuentra en estado
superconductor del material.
Es muy importante distinguir entre lo que es el estado mixto y lo que es el estado intermedio. Recuérdese que
el estado intermedio aparece en los superconductores tipo I que lleva a asignarle un valor de factor de
desmagnetización diferente de cero ; el estado mixto por otra parte, es una característica intrínseca de los
superconductores tipo II y que aparece aún si la forma de la muestra es tal que lleve a asignarle un valor de
factor de desmagnetización diferente de cero.
aleacion
TEMPERATURA DE
TRANSICIÓN (TC) °k
Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 138°K
HgBa2Ca2Cu3O8 133°K−135°K
HgBa2Ca1−xSrxCu2O6 123°K−124°K
HgBa2CuO4 94°K−98°K
6
Tl1.6Hg0.4Ba2Ca2Cu3O10 130°K
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 127°K
TlBa2Ca2Cu3O9 123°K
Bi1.6Pb0.6Sr2Ca2Sb0.1Cu3Ox 130°K
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110°K
Bi2Sr2CaCu2O8 80°K
Tabla 2. Algunos superconductores tipo II
Los superconductores son unos materiales capaces de permitir el paso de la corriente eléctrica presentando
una resistencia prácticamente nula. Cuando fluye corriente a través de un superconductor, no se produce
ninguna pérdida de energía eléctrica.
Con un oscilador, por ejemplo un columpio, se puede hacer una buena analogía de la superconductividad. Por
muy fuerte que se empuje un columpio, este siempre se acabará deteniéndose. La energía suministrada por
nuestros brazos se perderá por rozamiento de columpio con el aire, y mas significativamente por fricción de
las cadenas o engranajes con la estructura que soporta el columpio, y por efecto de la gravedad terrestre.
Ahora imaginemos un columpio que nunca se detuviera. Una vez empujado seguiría oscilando eternamente.
En un conductor convencional, un impulso de corriente eléctrica se atenuaría rápidamente hasta desaparecer
debido a la resistencia. Sin embargo en un superconductor la corriente puede fluir eternamente, puesto que no
hay nada que se ponga a ello.
Onnes, el físico holandés, continuó sus investigaciones buscando superconductividad en muchos materiales.
En cada caso el material debía ser enfriado a temperaturas próximas al cero absoluto (cero Kelvin). Este
2
enfriamiento se realizaba sumergiendo el futuro superconductor en helio liquido. El helio se licua a 4°k. Una
vez el material se había refrigerado a esa temperatura, se convertía en un superconductor.
Aspectos Históricos importantes.
A pesar de la gran importancia de este efecto, no se desarrolló ninguna aplicación útil hasta unas décadas mas
tarde de su descubrimiento. El principal obstáculo que presentaba el desarrollo de aplicaciones era la
necesidad de emplear temperaturas extremadamente bajas. El equipo necesario para hacer el helio líquido que
enfriaba el superconductor a la temperatura requerida era caro y complejo, problema que se sigue presentando
en la actualidad. Otro problema importante era la incapacidad del superconductor para resistir campos
magnéticos intensos.
los principios físicos de la superconductividad no se comprendieron hasta 1957, cuando los físicos
estadounidenses John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer propusieron una teoría que ahora se
conoce como teoría BCS por las iniciales de sus apellidos, y por la que sus autores recibieron el Premio Nobel
de Física en 1972. La teoría BCS describe la superconductividad como un fenómeno cuántico, en el que los
electrones de conducción se desplazan en pares, que no muestran resistencia eléctrica. Esta teoría explicaba
satisfactoriamente la superconducción a altas temperaturas en los metales, pero no en los materiales
cerámicos. En 1962, el físico británico Brian Josephson estudió la naturaleza cuántica de la
superconductividad y predijo la existencia de oscilaciones en la corriente eléctrica que fluye a través de dos
superconductores separados por una delgada capa aislante en un campo eléctrico o magnético. Este fenómeno,
conocido como efecto Josephson, fue posteriormente confirmado experimentalmente.
Los científicos han usado electroimanes para generar campos magnéticos desde hace mucho tiempo. Haciendo
fluir corriente eléctrica por un anillo conductor se induce campo magnético. Sustituyendo el conductor por un
superconductor y enfriándolo a la temperatura necesaria, podría ser posible generar campos magnéticos
mucho mas potentes debido a la falta de resistencia, y por tanto de generación de calor en el anillo. Sin
embargo, esto no pudo hacerse en un principio. Cuando el campo magnético alcanzaba una determinada
intensidad, el superconductor perdía sus propiedades y se comportaba como un conductor ordinario. Hasta la
década de los cuarenta no se resolvieron los problemas de los campos magnéticos y solo muy recientemente
se ha superado el problema de las bajas temperaturas.
Figura 2. John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer ganadores del premio nóbel de física en
1972.
Introducción a la superconductividad eléctrica
La Superconductividad Frente al paso de una corriente eléctrica, los metales ofrecen una cierta resistencia:
parte de la electricidad se transforma en calor y ello permite innumerables aplicaciones, como la plancha, la
tostadora o el calefactor eléctrico. Pero, en otros usos de la electricidad, sobre todo en su transmisión a través
de cables, no resulta económico que aquella se pierda en forma de calor. En el año 1911 el físico holandés
Heike Kamerlingh Onnes descubrió que ciertos metales conducen la electricidad sin resistencia siempre y
cuando se los haga "tiritar" cerca de la temperatura mas baja posible, unos 273 grados centígrados bajo cero.
3
Dado que conseguir temperaturas tan bajas resulta muy costoso, el gran objetivo de la ciencia es encontrar
materiales superconductores que operen a temperaturas mas altas. Por ello, en el año 1986 se produjo un
"boom" cuando los físicos K. A. Muller y J. G. Bednorz encontraron que un material cerámico podía ser
superconductor a una temperatura un poco mas alta, unos 240 grados centígrados bajo cero. Desde entonces se
han descubierto un gran numero de compuestos que presentan superconductividad si se los enfría solo con aire
liquido, lo que permitirá aplicaciones tecnológicas prometedoras. ¿Que se hace en superconductividad en
Exactas?
Tipos de superconductores
Existen diferencias importantes entre los superconductores que permiten clasificarlos en dos grandes grupos
como veremos a continuación:
Superconductores tipo I: La categoría de superconductores tipo I está comprendida principalmente por
metales puros los cuales presentan algún tipo de conductividad a temperatura ambiente; estos materiales
requieren increíbles temperaturas de enfriamiento. Esta categoría de materiales fue descubierta primero y a
continuación tenemos una lista de estos materiales con su respectiva temperatura de transición.
ELEMENTO
TEMPERATURA DE
TRANSICIÓN (TC) °k
PLOMO 7.2°K
LANTANO 4.9°K
TANTALIO 4.47°K
MERCURIO (PRIMER ELEMENTO
SUPERCONDUCTOR DESCUBIERTO
EN 1911)
4.15°K
ESTAÑO 3.72°K
INDIO 3.40°K
TALIO 1.70°K
RENIO 1.697°K
PROTACTINIO 1.4°K
TORIO 1.38°K
ALUMINIO 1.175°K
GALIO 1.10°K
GADOLINIO 1.083°K
MOLIBDENO 0.915°K
ZINC 0.85°K
OSMIO 0.66°K
ZIRCONIO 0.61°K
ELEMENTO
TEMPERATURA DE
TRANSICIÓN (TC ) °K
AMERICIO 0.6°K
CADMIO 0.517°K
RUTENIO 0.49°K
TITANIO 0.40°K
URANIO 0.20°K
HAFNIO 0.128°K
4
LUTECIO 0.1125°K
BERILIO 0.1°K
TUNGSTENO 0.026°K
PLATINO 0.0019°K
RODIO 0.000325°K
Tabla 1. Elementos superconductores tipo I
Otros elementos pueden ser llevados a estado de superconductividad por medio de la aplicación de alta
presión cuyo valor puede ser de miles de atmósferas. En la tabla periódica vemos una lista de estos materiales
así como los mencionados anteriormente.
figura 4. Elementos superconductores conocidos
Los superconductores tipo I son llamados superconductores ideales.
Kamerling Onnes también observó que al cualquier temperatura T, tal que T
critico.
5
figura 5. Gráfica de Tc VS R de un material superconductor tipo I
Superconductores tipo II. El comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de los metales
superconductores más refractarios es complejo e individual, particularmente con respecto a la forma como
resultan afectados en el estado superconductor en presencia de un campo magnético. A estos
superconductores se les ha dado el nombre de superconductores tipo II.
figura 6. Curva de respuesta T vs R de un material superconductor tipo II
En 1957 por primera vez, el científico soviético Abrikosov Publicó un estudio teórico en el que señalaba que
podía haber otra clase de superconductores con propiedades diferentes de los estudiados hasta entonces. Daba
como característica esencial de estos materiales el hecho de que presentan una energía superficial negativa
para fronteras que separan la parte que se encuentra en estado normal de la parte que se encuentra en estado
superconductor del material.
Es muy importante distinguir entre lo que es el estado mixto y lo que es el estado intermedio. Recuérdese que
el estado intermedio aparece en los superconductores tipo I que lleva a asignarle un valor de factor de
desmagnetización diferente de cero ; el estado mixto por otra parte, es una característica intrínseca de los
superconductores tipo II y que aparece aún si la forma de la muestra es tal que lleve a asignarle un valor de
factor de desmagnetización diferente de cero.
aleacion
TEMPERATURA DE
TRANSICIÓN (TC) °k
Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 138°K
HgBa2Ca2Cu3O8 133°K−135°K
HgBa2Ca1−xSrxCu2O6 123°K−124°K
HgBa2CuO4 94°K−98°K
6
Tl1.6Hg0.4Ba2Ca2Cu3O10 130°K
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 127°K
TlBa2Ca2Cu3O9 123°K
Bi1.6Pb0.6Sr2Ca2Sb0.1Cu3Ox 130°K
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110°K
Bi2Sr2CaCu2O8 80°K
Tabla 2. Algunos superconductores tipo II
Jhon Ender Duque V CRF
LAS SUPERREDES DE SUPERCONDUCTORES
Su estructura cristalina natural, comparada con la de la mayoría de superconductores clásicos, que son
generalmente metales elementales o aleaciones metálicas, es compleja. Esta formada por un apilamiento de
capas de átomos de distinta naturaleza. Para comprender mejor el papel de estas capas, los investigadores
empezaron a manipular dichos óxidos y a fabricar unas estructuras artificiales, las superredes
superconductoras. Estas superredes están formadas por capas delgadas del superconductor a estudiar,
alternando con capas de otros materiales, cuya composición y cuyo espesor se hacen variar a voluntad.
Para comprender mejor los nuevos materiales que han ido apareciendo en los últimos años hay que dilucidar
la relación entre su estructura cristalina y su superconductividad. Ahí es donde ha resultado muy útil la
fabricación "a medida " de apilamientos de finas capas de tales superconductores : las superredes. ¿que son
las superredes?. Partiendo de la idea de que los óxidos superconductores de alta temperatura cristalina por si
mismos en l estructura en capas, era tentador para el experimentador invertir en la formación de dichas capas,
modificar su apilamiento natural y su composición química, a fin de construir toda una panoplia de materiales,
las superredes, auténticos híbridos que ayudarían a forjar los conceptos importantes.
Estas estructuras artificiales están formadas por superposición de capas ultradelgadas de uno o mas
compuestos, superconductores o no. Cada capa consta de un numero variable de planos atómicos, que puede
estar comprendido entre uno y varias decenas. Cuando una capa es lo bastante gruesa, los planos atómicos se
disponen por si mismos como en el material masivo, y se esta en presencia de una doble periodicidad en la
dirección perpendicular a las capas. La periodicidad creada artificialmente, de Ahí el nombre de superred.
Las superredes de óxidos superconductores fueron realizadas por primera vez en la Universidad de Ginebra en
1989 y luego muy rápidamente al año siguiente en Estados Unidos.
La temperatura critica disminuye rápidamente al aumentar la distancia entre capas superconductoras
sucesivas. Esta explosión de actividades esta ligada a las sorprendentes posibilidades que ofrecen las técnicas
de punta de posición de capas delgadas, con la epitaxis por pulverización catódica o por chorros moleculares.
Esta ultima técnica debe sus rápidos progresos a las exigencias de la fabricación de las superredes
semiconductoras.
¿ De que se trata? Es un recinto a vacío, se dirigen uno o varios chorros de átomos o de moléculas sobre un
substrato en el que se depositan. A medida que los átomos van llegando, se va construyendo el cristal, que
7
puede formarse sin ningún defecto si el proceso se lleva cabo cuidadosamente. Para formar las superredes de
óxidos superconductores, los chorros contienen una mezcla de los átomos necesarios en proporciones
calculadas de antemano. El amontonamiento de losa tomos puede detenerse en todo momento tras el deposito
de un cierto numero de planos atómicos, para proceder luego al deposito de otra capa de distinta composición.
Aplicando tales técnicas a los óxidos superconductores, cabe pensar en fabricar estructuras dentro de las
cuales se ha modificado el numero de planos CuO2 de una malla elemental (en los materiales masivos, la
temperatura critica depende del numero de planos de CuO2 por malla elemental). También se puede cambiar
la secuencia de apilamiento entre los grupos de planos de CuO2 y luego observar como estos cambios
estructurales modifican la temperatura critica.
Los primeros resultados de los experimentos, en la Universidad de Ginebra 1989, superaron las previsiones
mas optimistas. El examen por rayos X demostró que las superredes preparadas por pulverización catodia
tienen una calidad cristalina superior a la de las capas simples. Se llega incluso a depositar las capas malla
elemental por malla elemental, lo cual corresponde a espesores extremadamente débiles, del orden de 12
angströms, el compuesto mas utilizado en estos experimentos ha sido, YBaCuO.
Por medio de estas superredes, en las que alternan capas de YBaCuO y de PrBaCuO se ha estudiado la
evolución de las propiedades superconductoras con el espesor de las capas. En 1990 se demuestra que la
temperatura critica decrece rápidamente cuando aumenta la distancia entre los grupos de planos de CuO2.
La superconductividad aparece pues a una temperatura mucho mas baja en una capa formada por una malla
aislada de YBaCuO que en una capa gruesa cuya temperatura es de 90ºK. para obtener una elevada
temperatura critica parece importante apilar las mallas lo cual sugiere que las mallas no se comportan
independientemente unas de otras.
Se produce un nuevo fenómeno que es un "ensanchamiento" de la transición, el material no pasa bruscamente
el estado superconductor a una temperatura dada sino que va perdiendo paulatinamente su resistencia al
disminuir la temperatura.
La interpretación de estos resultados es objeto todavía de muchas investigaciones. En cambio de la
temperatura de transición superconductora al separarse los planos de CuO2 indica que el acoplamiento entre
planos contribuye a aumentar esta temperatura. No obstante, todavía no se ha descubierto la manera de como
el acoplamiento modifica la temperatura critica. El ensanchamiento de las transición esta vinculado a la
aparición espontanea de "vórtices" de corriente en los superconductores de dos dimensiones.
Pero ¿que es un vórtice? Se trata de un torbellino de corrientes eléctricas espontaneas, las supercorrientes, que
pueden aparecer en el superconductor en ausencia de tensión aplicada. En los superconductores
convencionales, los vórtices solo aparecen en presencia de campo magnético y pueden visualizarse como
largos torbellinos de corriente que atraviesen el material.
En los óxidos superconductores, sin embargo, la situación es distinta. Ante todo, en las capas
cuasidimensionales como las que aquí nos interesan, los vórtices pueden aparecer espontáneamente en
ausencia de campo magnético.
Los vórtices nacen por pares y cada vórtice esta ligado a un antivortice en el que la corriente circula en sentido
contrario. Como la energía de un vórtice es proporcional a su longitud, cuanto mas delgadas son las capas,
mas fácil es crear estos pares vórtice/antivortice. A baja temperatura, ambos están ligados. Al aumentar la
temperatura es de esperar que estos pares se disocien a una cierta temperatura característica. El punto crucial
es que estos vórtices se volverán independientes, unos de otros, por encima de esta temperatura. Dicho
movimiento consume energía y todo ocurre como si en el material apreciase una resistencia eléctrica. La
temperatura a la que se disocian los vórtices es pues la temperatura de transición del sistema ya que, por
encima de ella, la resistencia deja de ser nula. Lo esencial es que esa temperatura de transición es mas baja
8
que la temperatura critica del material grueso. Cuanto mas delgada es la capa, mas se reduce la temperatura
critica. Así, el intervalo de temperatura en el que se encuentran los vórtices libres aumenta: es el
"ensanchamiento" observado por los investigadores. Esta transición, llamada BKT, encierra todavía muchos
misterios. Las superredes claro esta, son los instrumentos idóneos para resolver la controversia, ya que
permiten relacionar de un modo continuo la malla única y el superconductor masivo.
Su estructura cristalina natural, comparada con la de la mayoría de superconductores clásicos, que son
generalmente metales elementales o aleaciones metálicas, es compleja. Esta formada por un apilamiento de
capas de átomos de distinta naturaleza. Para comprender mejor el papel de estas capas, los investigadores
empezaron a manipular dichos óxidos y a fabricar unas estructuras artificiales, las superredes
superconductoras. Estas superredes están formadas por capas delgadas del superconductor a estudiar,
alternando con capas de otros materiales, cuya composición y cuyo espesor se hacen variar a voluntad.
Para comprender mejor los nuevos materiales que han ido apareciendo en los últimos años hay que dilucidar
la relación entre su estructura cristalina y su superconductividad. Ahí es donde ha resultado muy útil la
fabricación "a medida " de apilamientos de finas capas de tales superconductores : las superredes. ¿que son
las superredes?. Partiendo de la idea de que los óxidos superconductores de alta temperatura cristalina por si
mismos en l estructura en capas, era tentador para el experimentador invertir en la formación de dichas capas,
modificar su apilamiento natural y su composición química, a fin de construir toda una panoplia de materiales,
las superredes, auténticos híbridos que ayudarían a forjar los conceptos importantes.
Estas estructuras artificiales están formadas por superposición de capas ultradelgadas de uno o mas
compuestos, superconductores o no. Cada capa consta de un numero variable de planos atómicos, que puede
estar comprendido entre uno y varias decenas. Cuando una capa es lo bastante gruesa, los planos atómicos se
disponen por si mismos como en el material masivo, y se esta en presencia de una doble periodicidad en la
dirección perpendicular a las capas. La periodicidad creada artificialmente, de Ahí el nombre de superred.
Las superredes de óxidos superconductores fueron realizadas por primera vez en la Universidad de Ginebra en
1989 y luego muy rápidamente al año siguiente en Estados Unidos.
La temperatura critica disminuye rápidamente al aumentar la distancia entre capas superconductoras
sucesivas. Esta explosión de actividades esta ligada a las sorprendentes posibilidades que ofrecen las técnicas
de punta de posición de capas delgadas, con la epitaxis por pulverización catódica o por chorros moleculares.
Esta ultima técnica debe sus rápidos progresos a las exigencias de la fabricación de las superredes
semiconductoras.
¿ De que se trata? Es un recinto a vacío, se dirigen uno o varios chorros de átomos o de moléculas sobre un
substrato en el que se depositan. A medida que los átomos van llegando, se va construyendo el cristal, que
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puede formarse sin ningún defecto si el proceso se lleva cabo cuidadosamente. Para formar las superredes de
óxidos superconductores, los chorros contienen una mezcla de los átomos necesarios en proporciones
calculadas de antemano. El amontonamiento de losa tomos puede detenerse en todo momento tras el deposito
de un cierto numero de planos atómicos, para proceder luego al deposito de otra capa de distinta composición.
Aplicando tales técnicas a los óxidos superconductores, cabe pensar en fabricar estructuras dentro de las
cuales se ha modificado el numero de planos CuO2 de una malla elemental (en los materiales masivos, la
temperatura critica depende del numero de planos de CuO2 por malla elemental). También se puede cambiar
la secuencia de apilamiento entre los grupos de planos de CuO2 y luego observar como estos cambios
estructurales modifican la temperatura critica.
Los primeros resultados de los experimentos, en la Universidad de Ginebra 1989, superaron las previsiones
mas optimistas. El examen por rayos X demostró que las superredes preparadas por pulverización catodia
tienen una calidad cristalina superior a la de las capas simples. Se llega incluso a depositar las capas malla
elemental por malla elemental, lo cual corresponde a espesores extremadamente débiles, del orden de 12
angströms, el compuesto mas utilizado en estos experimentos ha sido, YBaCuO.
Por medio de estas superredes, en las que alternan capas de YBaCuO y de PrBaCuO se ha estudiado la
evolución de las propiedades superconductoras con el espesor de las capas. En 1990 se demuestra que la
temperatura critica decrece rápidamente cuando aumenta la distancia entre los grupos de planos de CuO2.
La superconductividad aparece pues a una temperatura mucho mas baja en una capa formada por una malla
aislada de YBaCuO que en una capa gruesa cuya temperatura es de 90ºK. para obtener una elevada
temperatura critica parece importante apilar las mallas lo cual sugiere que las mallas no se comportan
independientemente unas de otras.
Se produce un nuevo fenómeno que es un "ensanchamiento" de la transición, el material no pasa bruscamente
el estado superconductor a una temperatura dada sino que va perdiendo paulatinamente su resistencia al
disminuir la temperatura.
La interpretación de estos resultados es objeto todavía de muchas investigaciones. En cambio de la
temperatura de transición superconductora al separarse los planos de CuO2 indica que el acoplamiento entre
planos contribuye a aumentar esta temperatura. No obstante, todavía no se ha descubierto la manera de como
el acoplamiento modifica la temperatura critica. El ensanchamiento de las transición esta vinculado a la
aparición espontanea de "vórtices" de corriente en los superconductores de dos dimensiones.
Pero ¿que es un vórtice? Se trata de un torbellino de corrientes eléctricas espontaneas, las supercorrientes, que
pueden aparecer en el superconductor en ausencia de tensión aplicada. En los superconductores
convencionales, los vórtices solo aparecen en presencia de campo magnético y pueden visualizarse como
largos torbellinos de corriente que atraviesen el material.
En los óxidos superconductores, sin embargo, la situación es distinta. Ante todo, en las capas
cuasidimensionales como las que aquí nos interesan, los vórtices pueden aparecer espontáneamente en
ausencia de campo magnético.
Los vórtices nacen por pares y cada vórtice esta ligado a un antivortice en el que la corriente circula en sentido
contrario. Como la energía de un vórtice es proporcional a su longitud, cuanto mas delgadas son las capas,
mas fácil es crear estos pares vórtice/antivortice. A baja temperatura, ambos están ligados. Al aumentar la
temperatura es de esperar que estos pares se disocien a una cierta temperatura característica. El punto crucial
es que estos vórtices se volverán independientes, unos de otros, por encima de esta temperatura. Dicho
movimiento consume energía y todo ocurre como si en el material apreciase una resistencia eléctrica. La
temperatura a la que se disocian los vórtices es pues la temperatura de transición del sistema ya que, por
encima de ella, la resistencia deja de ser nula. Lo esencial es que esa temperatura de transición es mas baja
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que la temperatura critica del material grueso. Cuanto mas delgada es la capa, mas se reduce la temperatura
critica. Así, el intervalo de temperatura en el que se encuentran los vórtices libres aumenta: es el
"ensanchamiento" observado por los investigadores. Esta transición, llamada BKT, encierra todavía muchos
misterios. Las superredes claro esta, son los instrumentos idóneos para resolver la controversia, ya que
permiten relacionar de un modo continuo la malla única y el superconductor masivo.
Jhon Ender Duque V CRF
HISTORIA DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD
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La historia de la superconductividad empieza en 1911 en Leiden, Países Bajos. Allí H. Kamerlingh Onnes
desarrollo las primeras técnicas criogenicas para enfriar muestras hasta algunos grados por encima del cero
absoluto (correspondientes a cero Kelvin, es decir, menos doscientos, setenta y tres grados centígrados). Fue
el primero que consiguió llevar el helio hasta debajo de su punto de luciefaccion (4,2ºK), abriendo así el
campo de las bajas temperaturas. Al principio, Kamerlingh Onnes "monopolizó" completamente este campo,
ya que Leiden fue, hasta 1923, el único lugar del mundo que disponía de helio liquido.
En aquellas épocas se sabia que los metales tiene una resistividad que disminuye de manera prácticamente
lineal con la temperatura hasta unos veinte Kelvin, y se quería saber que ocurría con esta resistividad en las
proximidades del cero absoluto: ¿seguía decreciendo linealmente? ¿tendía, quizás, a un valor constante? O
bien ¿ se remontaría hacia valores muy elevados, característicos de un comportamiento aislante en vez de
conductor? Kamerlingh Onnes se dio cuenta muy pronto de que era necesario disponer de metales muy puros,
si quería obtener resultados libres de toda ambigüedad. Eligió el mercurio, elemento que puede conseguirse
con un alto grado de pureza mediante sucesivas destilaciones y que además es conductor en estado metálico.
De este modo, y enfriando el mercurio a muy baja temperatura, pudo observar un fenómeno nuevo y
totalmente inesperado: a una temperatura de 4,2ºK, el mercurio pasaba bruscamente a un estado en el que,
repentinamente, no ofrecía resistividad alguna al paso de la corriente eléctrica. Esta transición se manifestaba
por una caída muy brusca de la resistividad. Kamerlingh Onnes había descubierto la superconductividad.
Poco después se observo que la misma transición al estado de superconductor se producía en otros metales,
como el plomo o el niobio, a temperaturas criticas ligeramente mas altas. Posteriormente a partir de los años
1930, la superconductividad se observo también en cuerpos compuestos, principalmente en aleaciones
intermetalicas. La elevación de las temperaturas criticas (Tc) fue prosiguiendo a lo largo de los años, con un
progreso lento pero bastante regular. En 1973 la temperatura critica mas elevada fue de 23,3 Kelvin, con una
aleación de niobio y germanio (Nb Ge). Trece años mas tarde la situación era la misma y la mayoría de los
físicos habían acabado por convencerse de que no podía llegarse mucho mas lejos.
En el año 1960 se demostró que el titanato de estroncio (SrTiO) se hace superconductor, pero con una
temperatura de transición muy baja: 0,3 Kelvin. Posteriores estudios analizados en Rüshlikon permitieron
aumentar esta temperatura critica hasta 0,8 Kelvin mediante el dopado del compuesto con niobio.
Diez años mas tardes en 1973, D.C. Johnston y sus colegas obtuvieron un resultado mas significativo con un
oxido de titanio y litio (Li−Ti−O) : una temperatura critica de 13,7 Kelvin. En 1975, A.W. Sleight y sus
colaboradores observaron una transición a 13 Kelvin en un compuesto de valencia mixta: un oxido de bario y
plomo dopado con bismuto (BaPbBiO). En esta formula el subíndice x indica la proporción de bismuto
sustituida en el plomo.
Desde 1986, fecha de su descubrimiento los superconductores de la temperatura relativamente elevadas
plantean difíciles problemas a los teóricos. Todavía no se sabe si el mecanismo responsable del agrupamiento
de los electrones por pares que esta en el origen de la superconductividad es o no similar al de los
superconductores convencionales.
APLICACIONES Y BENEFICIOS
La principal dificultad por vencer, antes de pasar a la fase de las aplicaciones, es producir hilos o bandas
relativamente flexibles de estos materiales frágiles sin alterar sus propiedades superconductoras.
El empleo de hilos superconductores podría evitar entonces el 15% de perdida de energía, por ejemplo, debida
a la resistencia de los hilos eléctricos corrientes. Podrían ser utilizadas pues grandes bobinas superconductras
(imanes) como fuente de energía, con el fin de reducir el derroche causado por los generadores actuales. Estas
bobinas pueden almacenar importantes cantidades de energía en su campo magnético. La corriente puede
circular en ellas sin perdidas, indefinidamente, siendo posible extraerla por simple apertura de un bucle de
3
corrientes.
Existen también interesantes perspectivas de aplicaciones en el campo de los circuitos integrados, donde la
velocidad de ejecución esta limitada no por los diferentes elementos del circuito, sino mas bien por las
conexiones, muy resistivas. El empleo de materiales superconductores permitirá paliar este inconveniente y
construir microordenadores mas rápidos, naturalmente a condición de que el circuito pudiera funcionar a la
temperatura del nitrógeno liquido.
El campo de los transportes por sustentación magnética también se ve afectado por las aplicaciones de los
superconductores de alto campo critico. En Japón ya han sido construidos trenes en los que la sustentación se
realiza por medio de imanes suprconductores, aunque no hay contacto entre el vehículo y el rail cuando el tren
esta en marcha. La ausencia de fuerzas de rozamiento permite obtener velocidades del orden de 400Km/h.
Cabe prever que, con el escaso coste del enfriamiento del nitrógeno liquido comparado con el helio liquido, el
interés de estos medios de transportes se vera rápidamente incrementado.
La imagnineria médica, la física de las partículas, la fusión termonuclear, ya usuarias de imanes
superconductores, serán otros campos de aplicación de los nuevos superconductores.
LA TEORÍA BCS DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD
La teoría microscópica estándar de la superconductividad es la teoría BCS, llamada así en honor a K. Bardeen,
L. Cooper y J.R. Schrieffer, que la propusieron en 1957 ( y por la cual les fue concedido el premio Nobel en
1972). Explica perfectamente las propiedades de los materiales superconductores habituales de baja
temperatura critica (superconductores por debajo de 23ºK). El concepto básico de la teoría BCS es la idea del
emparejamiento: a una temperatura lo suficientemente baja, los electrones del metal se asocian en pares,
llamados pares de Cooper, análogos a moléculas. Para romper un par hay que suministrar una energía por lo
menos igual a su energía de enlace. No es de extrañar, pues que el superconductor no pueda absorber energías
inferiores a un cierto valor critico (llamado banda prohibida del superconductor).
Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un metal ordinario, los electrones en movimiento pueden sr
desviados por impurezas o por los movimientos de la red cristalina. Estas colisiones son responsables de la
resistencia eléctrica del metal. pero cuando se hace pasar a un supercondcutor por una corriente eléctrica, los
pares de Cooper se mueven de un modo coherente. Simplificado, todos ellos, efectúan el mismo movimiento
(esta propiedad esta ligada al hecho de que, contrariamente a las moléculas ordinarias, los pares de Cooper se
interpenetran ampliamente).
Un electrón no puede ser desviado individualmente y la resistencia eléctrica desaparecer. Como en las
moléculas ordinarias, los pares se forman porque hay una fuerza de atracción entre los electrones. En los
superconductores de baja temperatura critica, esta atracción se debe a la interacción de los electrones con las
vibraciones de la red cristalina.
Los cuantos de estas vibraciones se llaman fonones; son los análogos de los fotones luminosos. Pero este
mecanismo particular de la atracción entre dos electrones no es un ingrediente esencial de la teoría BCS. Se
puede considerar también una interacción en que intervengan las fluctuaciones de los momentos magnéticos
de los iones de cobre. Actualmente, hay solidas pruebas en favor de la existencia de pares de Cooper en los
superconductores de alta temperatura critica. Por contra, el mecanismo de formación de estos pares es objeto
de gran controversia.
LOS SUPERCONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA
Desde que la superconductividad fue descubierta en 1911 y hasta 1986 no había conseguido encontrar Tc
elevadas (la mayor era de 23ºK), lo que exigía los materiales fueran enfriados a la temperatura del helio
4
liquido (4,2ºK), lo cual era muy caro y necesitaba de una tecnología muy sotisficada.
Pero en 1986 se descubre un compuesto a base de óxidos de Cobre, Lantano y Bario (ÇBaLaCuO) que se
vuelve superconductor a 35ºK. Esto provoco una fiebre de estudios en tres direcciones preferentemente. La
primera fue la búsqueda de nuevos compuestos a fin de obtener una Tc cada vez mas elevada. En 1987 se
supera la temperatura del Nitrógeno liquido (77ºK) con un compuesto a base de Itrio, Bario y Cobre que sigue
siendo el mas estudiado (YBa2Cu3O7). Fue un paso importante porque ya se comienza a pensar en sus
aplicaciones a gran escala, ya que el Nitrógeno liquido es diez veces mas barato que el Helio liquido.
La segunda dirección es la mejora de los métodos para sintetizar estos materiales.
La tercera es la comprensión de sus propiedades físicas (eléctricas, magnéticas y ópticas).
Este estudio se realiza para dos fases:
Fase normal (por encima de la temperatura critica), en la que se intenta saber si estos nuevos óxidos
metálicos pueden clasificarse como metales tradicionales.
Y Fase superconductora (por debajo de Tc), en la que se intenta determinar si las propiedades de estos
nuevos compuestos pueden ser o no descritos por la teoría clásica BCS.
La síntesis de estos materiales y su estudio sigue siendo un campo importante de investigaciones.
Las observaciones de planos atómicos sucesivos en microscopia electrónica han relevado a menudo, la
existencia de nuevas fases y se especula con la posibilidad de sintetizarlos. También se correlaciona cada vez
mejor los defectos en sentido amplio (diferencias estiquiometricas, impurezas) con el desorden y las
propiedades de los distintos compuestos.
Las estructuras cristalograficas de estas familias de óxidos de Cobre han resultado ser bastante próximas y se
caracterizan por la presencia de planos Cobre−Oxígeno llamados planos CuO2.
Debemos hacer constar que También se han sintetizado óxidos de estructuras cubicas sin Cobre o compuestos
a base de carbono, cuya estructura tridimensional y composición química no se asemejan a las de los óxidos a
base de cobre, es decir, hay varias clases de superconductores de alta temperatura critica.
Los nuevos compuestos mas prometedores vienen en forma de películas delgadas, debido a que en los
cristales usuales se pueden observar numerosos defectos de todo tipo y a todas las escalas susceptibles de
influir fuertemente en las propiedades físicas y en cambio en las capas delgadas se pueden aislar un defecto
especifico, estudiarlo e incluso sacarle provecho.
Es También en las capas débiles donde hoy se registran las mayores densidades de corriente (intensidad por
cm2 de sección).
Pero las fuertes densidades de corriente son un requisito indispensable para las aplicaciones que necesitan
corrientes importantes o campos magnéticos intensos.
Hay un limite absoluto para la densidad de corriente que puede recorrer un superconductor sin disipación de
energía. Según la teoría BCS, esta limitación viene dada por la energía cinética que adquieren los pares de
Cooper, cuando esta energía supera la de desacoplamiento, destruye los pares y con ellos la
superconductividad y restaura el efecto Joule.
TAMBIÉN hay otras causas, como impurezas o defectos cristalinos, que hacen que la densidad de corriente
5
critica medida sea inferior al limite teórico, estimado en 1010 A/cm2.
Pero es muy frecuente que la corriente critica medida disminuya en presencia de un campo magnético, por
razones que tienen que ver con la naturaleza de los defectos, que limitan su valor y con la aparición en un
campo magnético de nuevas fuentes de disipación todavía mal conocidas.
Las prestaciones son apreciadas entre los superconductores de alta y baja temperatura. Sin embargo, subsiste
el problema de desarrollar nuevos compuestos en forma de hilos reutilizables.
Los físicos tratan de comprender mejor las propiedades de estos compuestos, que son muchos mas complejas
que las de los elementos superconductores a baja temperatura.
Para el estudio en la fase normal, se concibió el nivel de Fermi, este nivel aparece por el principio de
exclusión de Pauli, que prohibe que dos electrones se encuentren en el mismo estado; ello obliga a ocupar
niveles de energía cada vez mayor, hasta uno de energía máxima, denominado nivel de Fermi. La detección
del nivel de Fermi en fase normal de los óxidos superconductores se realiza mediante el efecto fotoeléctrico o
fotoemision, es decir, la emisión de electrones arrancados al metal cuando este es irradiado por una onda
electromagnética de alta energía. La medida de la energía electrónico de que ocupan inicialmente en el
compuesto.
Pero este método no es muy fiable o muy complicado, porque es un método muy sensible a cualquier
deterioro fisicoquímico de la superficie del material.
Los resultados actuales, en el estado normal, ascienden en establecer la existencia de una energía máxima para
los fotoelectrones lo cual es compatible con la existencia con un nivel de Fermi. Los experimentos ópticos en
el infrarrojo ayudan. Si el metal es conductor perfecto, toda la luz se refleja a causa de la completa libertad de
movimiento de los electrones, coas que no ocurre en un metal ordinario. Es decir, hay una relación directa
entre la conductividad de un metal y su capacidad de reflejar la luz.
Para comprender la fase normal, se siguen dos caminos:
El primero es mejorar la descripción en términos de líquidos de Fermi o habrá que renunciar totalmente a ella.
Este ultimo punto de vista es el que ha adoptado hace ya varios años el teórico P.W. Anderson, de la
Universidad de Princeton, en Estados Unidos. SEGÚN él, contrariamente al caso del liquido de Fermi, en el
que los electrones son portadores de una carga eléctrica y de un "espin" (momento cinético intrínseco), estas
dos magnitudes están disociadas en el estado normal de los nuevos compuestos. El trasporte de carga correría
a cargo de los "holones" (partículas sin carga pero con espin) transportarían el espin. Por ahora este modelo
tiene una sola dimensión espacial. Se supone que estos conceptos son extensibles a la geometría
bidimensional de los planos Cobre−Oxígeno de los óxidos superconductores.
La caracterización de la fase superconductora ha progresado en gran parte gracias a la mejora de la calidad de
las muestras. En lo tocante, a estudios fundamentales, el mejor terreno, pese a su reducido tamaño, es el de los
monocristales, pues se puede acceder a todas las orientaciones cristalograficas y estudiar como las
propiedades del compuesto dependen de la dirección espacial considerada. Uno de los progresos mas recientes
ha consistido en hacer crecer monocristales carentes de ciertos defectos inherentes a la estructura metálica de
dichos materiales.
Los resultados mas notables de reflectividad en fase superconductora se obtuvieron en 1990 con un cristal
desprovisto de defectos. El equipo IBM observo en el infrarrojo lejano un coeficiente de reflexión
estrictamente igual a la unidad característico de un conductor perfecto, pero únicamente en la dirección X.
6
A partir de una cierta frecuencia, la reflecitividad deja de ser total. Es importante poder localizar dicha
frecuencia, pues de ella se deduce el valor de la banda prohibida, que corresponde a la energía necesaria para
romper un par de Cooper. Pero una predicción fundamental de la teoría BCS es que la banda prohibida
expresada en Kelvin, es igual a 3,5 veces la temperatura critica. El valor 3,5 es importante porque esta ligado
a la intensidad de reacción de los electrones, una interacción que esta en el origen de los pares de Cooper, 3,5
significa un acoplamiento débil entre la red cristalina y los pares de electrones.
La medida del equipo IBM sitúa la banda prohibida cerca de 700ºK, valor muy superior a la temperatura
critica de 90ºK. El factor de 3,5 queda pues ampliamente rebasado. Las medidas por efecto fotoeléctrico por
debajo de Tc confirma la presencia de un umbral de energía, aquí También dos veces mayor que el valor
previsto por la teoría BCS.
Actualmente se dispone de muchos experimentos que concuerdan en asignar al cociente entre la banda
prohibida y la temperatura critica un valor muy superior al que prevé la teoría BCS para un acoplamiento
débil. Estos resultados sugieren que la teoría clásica a de tener en cuenta un acoplamiento fuerte, tal vez con
los fonones, es decir, con las vibraciones de la red cristalina. Pero se consideran También otras interacciones,
por ejemplo con las fluctuaciones colectivas de los momentos magnéticos de los iones de Cobre.
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La historia de la superconductividad empieza en 1911 en Leiden, Países Bajos. Allí H. Kamerlingh Onnes
desarrollo las primeras técnicas criogenicas para enfriar muestras hasta algunos grados por encima del cero
absoluto (correspondientes a cero Kelvin, es decir, menos doscientos, setenta y tres grados centígrados). Fue
el primero que consiguió llevar el helio hasta debajo de su punto de luciefaccion (4,2ºK), abriendo así el
campo de las bajas temperaturas. Al principio, Kamerlingh Onnes "monopolizó" completamente este campo,
ya que Leiden fue, hasta 1923, el único lugar del mundo que disponía de helio liquido.
En aquellas épocas se sabia que los metales tiene una resistividad que disminuye de manera prácticamente
lineal con la temperatura hasta unos veinte Kelvin, y se quería saber que ocurría con esta resistividad en las
proximidades del cero absoluto: ¿seguía decreciendo linealmente? ¿tendía, quizás, a un valor constante? O
bien ¿ se remontaría hacia valores muy elevados, característicos de un comportamiento aislante en vez de
conductor? Kamerlingh Onnes se dio cuenta muy pronto de que era necesario disponer de metales muy puros,
si quería obtener resultados libres de toda ambigüedad. Eligió el mercurio, elemento que puede conseguirse
con un alto grado de pureza mediante sucesivas destilaciones y que además es conductor en estado metálico.
De este modo, y enfriando el mercurio a muy baja temperatura, pudo observar un fenómeno nuevo y
totalmente inesperado: a una temperatura de 4,2ºK, el mercurio pasaba bruscamente a un estado en el que,
repentinamente, no ofrecía resistividad alguna al paso de la corriente eléctrica. Esta transición se manifestaba
por una caída muy brusca de la resistividad. Kamerlingh Onnes había descubierto la superconductividad.
Poco después se observo que la misma transición al estado de superconductor se producía en otros metales,
como el plomo o el niobio, a temperaturas criticas ligeramente mas altas. Posteriormente a partir de los años
1930, la superconductividad se observo también en cuerpos compuestos, principalmente en aleaciones
intermetalicas. La elevación de las temperaturas criticas (Tc) fue prosiguiendo a lo largo de los años, con un
progreso lento pero bastante regular. En 1973 la temperatura critica mas elevada fue de 23,3 Kelvin, con una
aleación de niobio y germanio (Nb Ge). Trece años mas tarde la situación era la misma y la mayoría de los
físicos habían acabado por convencerse de que no podía llegarse mucho mas lejos.
En el año 1960 se demostró que el titanato de estroncio (SrTiO) se hace superconductor, pero con una
temperatura de transición muy baja: 0,3 Kelvin. Posteriores estudios analizados en Rüshlikon permitieron
aumentar esta temperatura critica hasta 0,8 Kelvin mediante el dopado del compuesto con niobio.
Diez años mas tardes en 1973, D.C. Johnston y sus colegas obtuvieron un resultado mas significativo con un
oxido de titanio y litio (Li−Ti−O) : una temperatura critica de 13,7 Kelvin. En 1975, A.W. Sleight y sus
colaboradores observaron una transición a 13 Kelvin en un compuesto de valencia mixta: un oxido de bario y
plomo dopado con bismuto (BaPbBiO). En esta formula el subíndice x indica la proporción de bismuto
sustituida en el plomo.
Desde 1986, fecha de su descubrimiento los superconductores de la temperatura relativamente elevadas
plantean difíciles problemas a los teóricos. Todavía no se sabe si el mecanismo responsable del agrupamiento
de los electrones por pares que esta en el origen de la superconductividad es o no similar al de los
superconductores convencionales.
APLICACIONES Y BENEFICIOS
La principal dificultad por vencer, antes de pasar a la fase de las aplicaciones, es producir hilos o bandas
relativamente flexibles de estos materiales frágiles sin alterar sus propiedades superconductoras.
El empleo de hilos superconductores podría evitar entonces el 15% de perdida de energía, por ejemplo, debida
a la resistencia de los hilos eléctricos corrientes. Podrían ser utilizadas pues grandes bobinas superconductras
(imanes) como fuente de energía, con el fin de reducir el derroche causado por los generadores actuales. Estas
bobinas pueden almacenar importantes cantidades de energía en su campo magnético. La corriente puede
circular en ellas sin perdidas, indefinidamente, siendo posible extraerla por simple apertura de un bucle de
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corrientes.
Existen también interesantes perspectivas de aplicaciones en el campo de los circuitos integrados, donde la
velocidad de ejecución esta limitada no por los diferentes elementos del circuito, sino mas bien por las
conexiones, muy resistivas. El empleo de materiales superconductores permitirá paliar este inconveniente y
construir microordenadores mas rápidos, naturalmente a condición de que el circuito pudiera funcionar a la
temperatura del nitrógeno liquido.
El campo de los transportes por sustentación magnética también se ve afectado por las aplicaciones de los
superconductores de alto campo critico. En Japón ya han sido construidos trenes en los que la sustentación se
realiza por medio de imanes suprconductores, aunque no hay contacto entre el vehículo y el rail cuando el tren
esta en marcha. La ausencia de fuerzas de rozamiento permite obtener velocidades del orden de 400Km/h.
Cabe prever que, con el escaso coste del enfriamiento del nitrógeno liquido comparado con el helio liquido, el
interés de estos medios de transportes se vera rápidamente incrementado.
La imagnineria médica, la física de las partículas, la fusión termonuclear, ya usuarias de imanes
superconductores, serán otros campos de aplicación de los nuevos superconductores.
LA TEORÍA BCS DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD
La teoría microscópica estándar de la superconductividad es la teoría BCS, llamada así en honor a K. Bardeen,
L. Cooper y J.R. Schrieffer, que la propusieron en 1957 ( y por la cual les fue concedido el premio Nobel en
1972). Explica perfectamente las propiedades de los materiales superconductores habituales de baja
temperatura critica (superconductores por debajo de 23ºK). El concepto básico de la teoría BCS es la idea del
emparejamiento: a una temperatura lo suficientemente baja, los electrones del metal se asocian en pares,
llamados pares de Cooper, análogos a moléculas. Para romper un par hay que suministrar una energía por lo
menos igual a su energía de enlace. No es de extrañar, pues que el superconductor no pueda absorber energías
inferiores a un cierto valor critico (llamado banda prohibida del superconductor).
Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un metal ordinario, los electrones en movimiento pueden sr
desviados por impurezas o por los movimientos de la red cristalina. Estas colisiones son responsables de la
resistencia eléctrica del metal. pero cuando se hace pasar a un supercondcutor por una corriente eléctrica, los
pares de Cooper se mueven de un modo coherente. Simplificado, todos ellos, efectúan el mismo movimiento
(esta propiedad esta ligada al hecho de que, contrariamente a las moléculas ordinarias, los pares de Cooper se
interpenetran ampliamente).
Un electrón no puede ser desviado individualmente y la resistencia eléctrica desaparecer. Como en las
moléculas ordinarias, los pares se forman porque hay una fuerza de atracción entre los electrones. En los
superconductores de baja temperatura critica, esta atracción se debe a la interacción de los electrones con las
vibraciones de la red cristalina.
Los cuantos de estas vibraciones se llaman fonones; son los análogos de los fotones luminosos. Pero este
mecanismo particular de la atracción entre dos electrones no es un ingrediente esencial de la teoría BCS. Se
puede considerar también una interacción en que intervengan las fluctuaciones de los momentos magnéticos
de los iones de cobre. Actualmente, hay solidas pruebas en favor de la existencia de pares de Cooper en los
superconductores de alta temperatura critica. Por contra, el mecanismo de formación de estos pares es objeto
de gran controversia.
LOS SUPERCONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA
Desde que la superconductividad fue descubierta en 1911 y hasta 1986 no había conseguido encontrar Tc
elevadas (la mayor era de 23ºK), lo que exigía los materiales fueran enfriados a la temperatura del helio
4
liquido (4,2ºK), lo cual era muy caro y necesitaba de una tecnología muy sotisficada.
Pero en 1986 se descubre un compuesto a base de óxidos de Cobre, Lantano y Bario (ÇBaLaCuO) que se
vuelve superconductor a 35ºK. Esto provoco una fiebre de estudios en tres direcciones preferentemente. La
primera fue la búsqueda de nuevos compuestos a fin de obtener una Tc cada vez mas elevada. En 1987 se
supera la temperatura del Nitrógeno liquido (77ºK) con un compuesto a base de Itrio, Bario y Cobre que sigue
siendo el mas estudiado (YBa2Cu3O7). Fue un paso importante porque ya se comienza a pensar en sus
aplicaciones a gran escala, ya que el Nitrógeno liquido es diez veces mas barato que el Helio liquido.
La segunda dirección es la mejora de los métodos para sintetizar estos materiales.
La tercera es la comprensión de sus propiedades físicas (eléctricas, magnéticas y ópticas).
Este estudio se realiza para dos fases:
Fase normal (por encima de la temperatura critica), en la que se intenta saber si estos nuevos óxidos
metálicos pueden clasificarse como metales tradicionales.
Y Fase superconductora (por debajo de Tc), en la que se intenta determinar si las propiedades de estos
nuevos compuestos pueden ser o no descritos por la teoría clásica BCS.
La síntesis de estos materiales y su estudio sigue siendo un campo importante de investigaciones.
Las observaciones de planos atómicos sucesivos en microscopia electrónica han relevado a menudo, la
existencia de nuevas fases y se especula con la posibilidad de sintetizarlos. También se correlaciona cada vez
mejor los defectos en sentido amplio (diferencias estiquiometricas, impurezas) con el desorden y las
propiedades de los distintos compuestos.
Las estructuras cristalograficas de estas familias de óxidos de Cobre han resultado ser bastante próximas y se
caracterizan por la presencia de planos Cobre−Oxígeno llamados planos CuO2.
Debemos hacer constar que También se han sintetizado óxidos de estructuras cubicas sin Cobre o compuestos
a base de carbono, cuya estructura tridimensional y composición química no se asemejan a las de los óxidos a
base de cobre, es decir, hay varias clases de superconductores de alta temperatura critica.
Los nuevos compuestos mas prometedores vienen en forma de películas delgadas, debido a que en los
cristales usuales se pueden observar numerosos defectos de todo tipo y a todas las escalas susceptibles de
influir fuertemente en las propiedades físicas y en cambio en las capas delgadas se pueden aislar un defecto
especifico, estudiarlo e incluso sacarle provecho.
Es También en las capas débiles donde hoy se registran las mayores densidades de corriente (intensidad por
cm2 de sección).
Pero las fuertes densidades de corriente son un requisito indispensable para las aplicaciones que necesitan
corrientes importantes o campos magnéticos intensos.
Hay un limite absoluto para la densidad de corriente que puede recorrer un superconductor sin disipación de
energía. Según la teoría BCS, esta limitación viene dada por la energía cinética que adquieren los pares de
Cooper, cuando esta energía supera la de desacoplamiento, destruye los pares y con ellos la
superconductividad y restaura el efecto Joule.
TAMBIÉN hay otras causas, como impurezas o defectos cristalinos, que hacen que la densidad de corriente
5
critica medida sea inferior al limite teórico, estimado en 1010 A/cm2.
Pero es muy frecuente que la corriente critica medida disminuya en presencia de un campo magnético, por
razones que tienen que ver con la naturaleza de los defectos, que limitan su valor y con la aparición en un
campo magnético de nuevas fuentes de disipación todavía mal conocidas.
Las prestaciones son apreciadas entre los superconductores de alta y baja temperatura. Sin embargo, subsiste
el problema de desarrollar nuevos compuestos en forma de hilos reutilizables.
Los físicos tratan de comprender mejor las propiedades de estos compuestos, que son muchos mas complejas
que las de los elementos superconductores a baja temperatura.
Para el estudio en la fase normal, se concibió el nivel de Fermi, este nivel aparece por el principio de
exclusión de Pauli, que prohibe que dos electrones se encuentren en el mismo estado; ello obliga a ocupar
niveles de energía cada vez mayor, hasta uno de energía máxima, denominado nivel de Fermi. La detección
del nivel de Fermi en fase normal de los óxidos superconductores se realiza mediante el efecto fotoeléctrico o
fotoemision, es decir, la emisión de electrones arrancados al metal cuando este es irradiado por una onda
electromagnética de alta energía. La medida de la energía electrónico de que ocupan inicialmente en el
compuesto.
Pero este método no es muy fiable o muy complicado, porque es un método muy sensible a cualquier
deterioro fisicoquímico de la superficie del material.
Los resultados actuales, en el estado normal, ascienden en establecer la existencia de una energía máxima para
los fotoelectrones lo cual es compatible con la existencia con un nivel de Fermi. Los experimentos ópticos en
el infrarrojo ayudan. Si el metal es conductor perfecto, toda la luz se refleja a causa de la completa libertad de
movimiento de los electrones, coas que no ocurre en un metal ordinario. Es decir, hay una relación directa
entre la conductividad de un metal y su capacidad de reflejar la luz.
Para comprender la fase normal, se siguen dos caminos:
El primero es mejorar la descripción en términos de líquidos de Fermi o habrá que renunciar totalmente a ella.
Este ultimo punto de vista es el que ha adoptado hace ya varios años el teórico P.W. Anderson, de la
Universidad de Princeton, en Estados Unidos. SEGÚN él, contrariamente al caso del liquido de Fermi, en el
que los electrones son portadores de una carga eléctrica y de un "espin" (momento cinético intrínseco), estas
dos magnitudes están disociadas en el estado normal de los nuevos compuestos. El trasporte de carga correría
a cargo de los "holones" (partículas sin carga pero con espin) transportarían el espin. Por ahora este modelo
tiene una sola dimensión espacial. Se supone que estos conceptos son extensibles a la geometría
bidimensional de los planos Cobre−Oxígeno de los óxidos superconductores.
La caracterización de la fase superconductora ha progresado en gran parte gracias a la mejora de la calidad de
las muestras. En lo tocante, a estudios fundamentales, el mejor terreno, pese a su reducido tamaño, es el de los
monocristales, pues se puede acceder a todas las orientaciones cristalograficas y estudiar como las
propiedades del compuesto dependen de la dirección espacial considerada. Uno de los progresos mas recientes
ha consistido en hacer crecer monocristales carentes de ciertos defectos inherentes a la estructura metálica de
dichos materiales.
Los resultados mas notables de reflectividad en fase superconductora se obtuvieron en 1990 con un cristal
desprovisto de defectos. El equipo IBM observo en el infrarrojo lejano un coeficiente de reflexión
estrictamente igual a la unidad característico de un conductor perfecto, pero únicamente en la dirección X.
6
A partir de una cierta frecuencia, la reflecitividad deja de ser total. Es importante poder localizar dicha
frecuencia, pues de ella se deduce el valor de la banda prohibida, que corresponde a la energía necesaria para
romper un par de Cooper. Pero una predicción fundamental de la teoría BCS es que la banda prohibida
expresada en Kelvin, es igual a 3,5 veces la temperatura critica. El valor 3,5 es importante porque esta ligado
a la intensidad de reacción de los electrones, una interacción que esta en el origen de los pares de Cooper, 3,5
significa un acoplamiento débil entre la red cristalina y los pares de electrones.
La medida del equipo IBM sitúa la banda prohibida cerca de 700ºK, valor muy superior a la temperatura
critica de 90ºK. El factor de 3,5 queda pues ampliamente rebasado. Las medidas por efecto fotoeléctrico por
debajo de Tc confirma la presencia de un umbral de energía, aquí También dos veces mayor que el valor
previsto por la teoría BCS.
Actualmente se dispone de muchos experimentos que concuerdan en asignar al cociente entre la banda
prohibida y la temperatura critica un valor muy superior al que prevé la teoría BCS para un acoplamiento
débil. Estos resultados sugieren que la teoría clásica a de tener en cuenta un acoplamiento fuerte, tal vez con
los fonones, es decir, con las vibraciones de la red cristalina. Pero se consideran También otras interacciones,
por ejemplo con las fluctuaciones colectivas de los momentos magnéticos de los iones de Cobre.
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