En 1911 se inició un nuevo campo de la física cuando se anunció el descubrimiento de la superconductividad (SC) o el transporte de la corriente eléctrica con una resistencia muy pequeña.
El experimento se llevó a cabo en el “Laboratorio de Física de Bajas Temperaturas” de la universidad de Leiden (Holanda) dirigido por Heike Kamerlingh Onnes. El científico estaba interesado en obtener temperaturas cercanas al cero absoluto y su búsqueda lo premió, en 1908, con la licuación de helio, logrando así una temperatura de 4.22 kelvin (k).
Pero Onnes no sólo le preocupaba obtener bajas temperaturas, sino que también investigaba el comportamiento de la materia a temperaturas cercanas a cero K. Una de las polémicas planteada entre los físicos, en esa primera década del siglo XX, era sobre cómo se comportaba la resistencia eléctrica de los metales a medida que la temperatura disminuía.
Según Dewar, la resistencia caería a cero porque los átomos dejarían de vibrar y por lo tanto no habría dispersión de los electrones por los fonones (vibraciones de la red). De acuerdo con Kelvin, la resistencia se iría a infinito ya que, según él, los electrones se congelarían. Por su parte, Matthiessen decía que la resistencia llegaría a un valor constante por la presencia de impurezas. Así que Onnes quiso participar en la controversia diseñando el experimento que verificara o negara cualquiera de las anteriores hipótesis.
El mercurio, primer superconductor
Seleccionó el mercurio para dicho estudio, ya que era el metal que más puro se conseguía en esos tiempo. Fue su discípulo, Willem Hendrik Keeso, quien al medir la resistencia eléctrica del mercurio en función de la temperatura, observó que la resistencia caía casi a cero, a una temperatura con un valor de 4.12 K. Cuando el estudiante le informó a Onnes sobre el hecho éste no le creyó y le dijo que repitiera el experimento pues algún error había cometido.
Keeso repitió el experimento y el fenómeno volvió a manifestarse, entonces fue el mismo Onnes quien se puso al frente del laboratorio y después de varias medidas y haciendo cambios en el proceso de medir, la resistencia caía siempre abruptamente al llegar a 4,12 k. El resultado era impecable y con absoluta confianza se podía anunciar el gran descubrimiento. Dos años después, en 1913, Heike Kamerlingh Onnes era galardonado con el Premio Nobel de Física por sus investigaciones sobre la licuación de los gases y el estudio de materiales a bajas temperaturas. El citado experimento también le dio la razón a la hipótesis formulada por Matthiessen
Luego de detectar superconductividad en el mercurio, el mismo Onnes midió la superconductividad al plomo a 7.2 k y posteriormente otros investigadores encontraron SC de otros elementos de la tabla periódica.
Durante una década el fenómeno se consideraba como una curiosidad científica, pero fue desde 1920 hasta 1940 cuando se logró superconductividad en las aleaciones de niobio con titanio y estaño y en ese mismo periodo, en 1933, se introdujo el efecto Meissner-Ochsenfeld, (M.O) que consiste en la desaparición total del flujo magnético en el interior de un material superconductor.
Con ese nuevo fenómeno se redefine el concepto de superconductividad pues ya no es suficiente que la resistencia se haga casi cero sino que también debe presentar el efecto M.O. Además, este efecto permite la levitación y su aplicación en los trenes de alta velocidad.
Conceptualmente este efecto planteaba la imposibilidad de la subsistencia simultánea del magnetismo y la S.C. Pero con el paso del tiempo este conflicto se ha estado estudiando por varios grupos de investigación y quien escribe este documento ha tenido la oportunidad de publicar resultados con el “Grupo de Física de Materiales Complejos” de la Universidad Complutense de Madrid. Diseñando superredes de material magnético y material superconductor se ha evidenciado magnetoresistencia gigante (Phys. Rev. Lett 94, 57002, 2005) y se ha publicado resultados que muestran la interacción entre el magnetismo y la superconductividad (Phys.Rev. B69, 224502, 2004)
Nuevos superconductores y sus aplicaciones
Uno de los problemas que presentaban los nuevos materiales era que salían del estado superconductor fácilmente cuando tenían que soportar campos magnéticos intensos y/o cuando tenían que transportar corrientes altas, lo que impedía que el nuevo fenómeno fuera aplicado industrialmente.
Pero cuando se descubrió la superconductividad del niobio y las aleaciones ya aludidas, se pudo tener SC que transportase corriente con muy pocas pérdidas y generar campos magnéticos por encima de 10 teslas e iniciar la industria superconductora de la resonancia magnética nuclear, tan útil en medicina y la investigación en física y química. También empieza la investigación con aceleradores de partículas.
Estos innovadores materiales agregaron nuevos conceptos alrededor de la SC e inician una naciente disciplina asociada a la física de vórtices y una clasificación de la SC como aquellas de tipo I que repelen totalmente el campo magnético y las de tipo II en las que el campo magnético penetra en forma de vórtices.
La teoría de vórtices fue propuesta en forma teórica por Abrikosov, en la década de los 50 y verificada experimentalmente más tarde. Por sus investigaciones en este tema Abrikosov obtuvo el Nobel de Física en 2003.
Las cerámicas superconductoras
Cuando los científicos hacían esfuerzos por obtener nuevos materiales superconductores, igualmente se pensaba sobre la posible explicación del fenómeno y es sólo hasta 1957, cuando Bardeen, Cooper y Schrieffer propusieron la teórica de la superconductividad, que se simplifica diciendo que se forman pares de Cooper, es decir, que la superconductividad está asociada a la formación de pares de electrones. Por sus planteamientos estos tres físicos recibieron el Premio Nobel en 1972. Pero debo aclarar que la SC es un fenómeno cuántico de muchos cuerpos cuyo estudio es complejo.
Siguiendo con las investigaciones para obtener SC con temperaturas altas, hay que decir que hasta los años 70 la transición SC estaba en 23 K en el Nb3Ge y hubo que esperar hasta 1986 cuando la comunidad científica conoció un material cerámico, el BaLaCuO que alcanza temperaturas por encima de 30 K. El descubrimiento fue obra de Alexander Muller y Bednorz, investigadores de los laboratorios de la IBM en Suiza. Ambos recibieron el Premio Nobel de Física en 1987.
Luego viene una cascada de nuevas cerámicas que son SC a temperaturas mayores que su predecesora. Entre ellas está el YBaCuO, superconductor a 92 K y hasta el momento el material de más alta temperatura es el compuesto HgBaCaCuO que tiene una temperatura de transición SC a 134 k a presiones normales y a 165 k bajo presión.
Las aplicaciones de la SC fueron ampliadas cuando entre la década de los 60 y 70 varios científicos propusieron la existencia de nuevos fenómenos asociados a la SC, como la cuantización del flujo magnético y el efecto Josephson, que combinados dan lugar a los dispositivos SQUID (dispositivos de interferencia cuántica) y que han contribuido a desarrollar la industria de la instrumentación en la medida de campos magnéticos muy débiles y de voltajes y corriente del orden de los attos (10 elevado a la menos 18), lo que permite aplicaciones en medicina, geología e investigación básica.
Estos nuevos descubrimientos en temas relacionados con la SC fueron premiados con el Nobel de Física de 1972, cuando Josephson, Esaki y Giaever, recibieron ese galardón.
La superconductividad y la computación cuántica
En el 2009 se demostró experimentalmente que mediante resonadores de microondas se pueden acoplar qubits basados en uniones Josephson, lo cual genera más posibilidades para la implementación de los computadores cuánticos, (Nature 459, 546-549 2009).
Las aplicaciones de la SC en el transporte de energía eléctrica se constituirán en una de las de mayor interés no sólo por el ahorro de energía, sino también por su importancia en evitar la producción de dióxido de carbono.
En los últimos años se siguen encontrando nuevos materiales SC, que si bien son de baja temperatura comparadas con los SC cerámicos, servirán para resolver preguntas abiertas que todavía se formulan para poder explicar los superconductores cerámicos.
Entre los nuevos materiales se tiene el MgB2, descubierto en el 2000 y que tiene una temperatura de transición de 39 k, los nanotubos de carbono SC a 20 k, así como el fullereno C60 dopado con huecos que presenta SC a 53 k y aumentando la distancia intermolecular puede subir su temperatura de transición hasta 117 k. Recientemente fue descubierto SC en una nueva familia de compuestos: los pnicturos de hierro (LaOFeAs).
La superconductividad es un tema que sigue abierto, con muchas preguntas para responder, más premios Nobel por conseguir, va a contribuir a superar el problema de la contaminación ambiental, pues al disminuir las pérdidas de energía disminuye la emisión de dióxido de carbono. Así que por su importancia tecnológica y científica, los países avanzados siguen apostándole con mucho dinero para su investigación.
Doctor en Física, universidad Complutense de Madrid
Profesor-investigador universidad del Quindío
Presidente Fundación Semillero Científico (EAM)
darias@fis.ucm.es
darias@uniquindio.edu.co
Fuente: ( la cronica de quindio )
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