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
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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
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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
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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.
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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.