La superconductividad es uno de los descubrimientos más fascinantes de la ciencia del siglo xx

A finales de 1986, en la reunión de la Sociedad de Investigación en Materiales en Boston, EUA, la comunidad científica internacional notó por primera vez un trabajo que fue publicado con anterioridad en una revista alemana pero que había pasado casi inadvertido. En él se mencionaba la existencia de un compuesto superconductor cuya temperatura crítica era cercana a los 40 K. Este trabajo, que le valió el Premio Nobel un año después a sus autores, K. A. Müller y J. C. Bednorz, del Laboratorio ibm de Zúrich, constituyó el inicio de una verdadera revolución científica. Una buena cantidad de grupos de investigación ingresaron desde entonces a las fi las de la superconductividad. Los resultados, hasta la fecha de escribir este prólogo, han sido realmente notables: se han obtenido ya superconductores a temperaturas críticas por arriba del nitrógeno líquido y las posibles perspectivas tecnológicas están a la vista y parecen ilimitadas. Desde el punto de vista científico, la superconductividad pasó de ser un tema de poco interés desde el punto de vista aplicado, a convertirse en un tema primordial. El libro del doctor Fernando Magaña es la primera obra en idioma castellano que trata, en forma accesible al gran público, el fenómeno de la superconductividad. La mayoría de las personas interesadas en temas científicos, y aun los miembros de la comunidad científica, se habían interesado poco en el tema dela superconductividad hasta que las noticias y reportajes internacionales al respecto despertaron su curiosidad. La superconductividad, que se había constituido en un tema de especialistas, de momento se convirtió en materia de interés para el gran público. El libro del doctor Fernando Magaña viene a ocupar un lugar muy importante en la bibliografía científica de habla hispana al presentar la superconductividad de manera amena y atractiva al lector interesado, lego en la materia. Magaña es un investigador que ha trabajado ya por muchos años en el campo de la superconductividad. El número y la calidad de sus trabajos le da la autoridad suficiente y la soltura en el tema que se demuestra en varias partes del libro. Asimismo, la alta calidad científica del autor le permite presentar, en términos sencillos, conceptos que podrían ser complicados. Sin duda el lector del presente libro encontrará un texto ameno, interesante, que le proporcionará gran cantidad de información sobre la superconductividad, desde su trayectoria histórica hasta su desarrollo actual. La superconductividad ha producido ya importantes cambios en la ciencia que aún no hemos podido valorar totalmente. Muchos de los hábitos de la comunidad científica se han transformado por la presencia de este nuevo fenómeno. Al momento no sabemos cuál va a ser la trayectoria futura, pero, por ejemplo, la superconductividad ha alterado la manera en que los científicos se comunican. De tal modo que la mayoría de los trabajos actuales se leen en forma de pre impreso en lugar del tradicional artículo publicado. Éste es un campo en el que los artículos son ya, de entrada, obsoletos. Al mismo tiempo, la superconductividad ha permitido que un experimento, que en 1987 les valió el Premio Nobel a sus autores, lo hayan podido realizar en sus laboratorios, en el mismo año, estudiantes de preparatoria. Éste es un caso sin precedente en la ciencia y seguramente nos coloca ante una nueva perspectiva: la posibilidad de que los estudiantes jóvenes se familiaricen, desde el principio de sus estudios, con experimentos e ideas científicas de frontera.

La superconductividad es uno de los descubrimientos más fascinantes de la ciencia del siglo xx. Pertenece a la familia de descubrimientos de la física capaces de cambiar la manera de vivir de la humanidad. Su gama de aplicaciones es amplísima, pero abarca esencialmente tres tipos: la generación de campos magnéticos intensos, la fabricación de cables de conducción de energía eléctrica y la electrónica. Dentro del primer tipo tenemos aplicaciones tan espectaculares como la fabricación de sistemas de transporte masivo “levitados”, esto es, trenes que flotan sobre sus rieles sin tener fricción con ellos, haciendo factible alcanzar las velocidades que desarrollan, comúnmente, los aeroplanos. Los prototipos ya están en operación. En el segundo tipo tendríamos la posibilidad de transmitir energía eléctrica desde los centros de producción, como presas o reactores nucleares, hasta los centros de consumo, y redes de distribución de energía eléctrica en las ciudades (que son ya una realidad) sin pérdidas de ningún tipo en el trayecto. Para el tercer tipo de aplicaciones podemos mencionar la posibilidad de fabricar supercomputadoras extremadamente veloces.

Estamos viendo ya en los primeros años del siglo xxi muchas más aplicaciones de los materiales superconductores que en todo el siglo xx. Esto se puede afirmar, en especial, a raíz del hallazgo, en 1986, de los materiales superconductores cerámi- cos que tienen temperaturas de transición al estado superconductor superiores a la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido (que es, aproximadamente, de 77 K o, lo que es lo mismo, −196 °C; se utiliza la medida kelvin para calcular la temperatura absoluta); lo que significa una gran simplificación en la construcción de los aparatos en los que se aplica el fenómeno de la superconductividad, al compararlas con las temperaturas de transición más altas conocidas anteriormente de 23 K. Tenemos ya ciudades electrificadas con cables superconductores cerámicos subterráneos refrigerados con nitrógeno líquido, cisternas de energía que almacenan de la manera más eficiente jamás diseñada por el hombre y robots levitados por el efecto Meissner trabajando en la fabricación de microchips sin levantar granos de polvo que dañan a estos dispositivos, entre otras aplicaciones ya comunes. Pero, ¿qué es la superconductividad? Es un estado de la materia, como lo es el estado líquido o el estado sólido, en el cual no existe resistencia eléctrica. Esto significa que no hay disipación de energía al pasar corriente eléctrica por un material superconductor. Pero no es sólo eso, sino que, además, no permite que el campo de fuerza de un imán penetre en su interior (esto último se conoce como efecto Meissner). Esta combinación de efectos eléctricos y magnéticos recibe el nombre de estado superconductor. Su descubrimiento se remonta a principios del siglo xx, en 1911, y está íntimamente ligado a la obtención de muy bajas temperaturas (cercanas al cero absoluto) en el laboratorio. Fue el doctor H. K. Onnes (quien nació en 1856 y murió en 1926), de la Universidad de Leyden, Holanda, su descubridor. El doctor Onnes obtuvo el Premio Nobel de Física en 1913 “por sus investigaciones de las propiedades de la materia a bajas temperaturas que condujeron, entre otras cosas, a la producción de helio líquido”. Había logrado, en 1908, licuar el helio, y este hecho lo llevó a su descubrimiento de la superconductividad en el mercurio al enfriarlo a la temperatura del helio líquido (−269 °C, aproximadamente). 23 No fue sino hasta 1957 cuando pudo entenderse el origen del fenómeno, al menos en lo que ahora conocemos como superconductores convencionales (para distinguirlos de los descubiertos más recientemente, los superconductores cerámicos), cuando J. Bardeen (fallecido en 1991), L. Cooper y R. Schrieff er enunciaron su teoría de la superconductividad, que ahora se conoce como teoría bcs, en su honor. A Bardeen, Cooper y Schrieffer se les otorgó el Premio Nobel de Física en 1972 por su teoría, que se basa en la existencia de los llamados pares de Cooper, que son parejas de electrones ligados entre sí y que se forman, según la teoría bcs, por la interacción atractiva de dos electrones inducida por un fonón. Después de la formulación de la exitosa teoría bcs, apareció otro avance notable en el estudio de los superconductores cuando un estudiante de doctorado de la Universidad de Cambridge, en Inglaterra, predijo que aparecería un flujo de corriente entre dos materiales superconductores aun cuando estuvieran separados por un aislante. Esta predicción fue confirmada posteriormente y se le otorgó el Premio Nobel de Física de 1973; lo compartió con Leo Esaki por su descubrimiento del efecto de tunelamiento electrónico en los materiales semiconductores, y con Ivar Giaever por su descubrimiento del efecto de tunelamiento electrónico en superconductores, comprobando las predicciones de Josephson. Este efecto de tunelamiento electrónico en superconductores se conoce ahora como efecto Josephson, cuya aplicación discutimos en otra parte de este libro. El ahora llamado efecto Josephson tiene muchas aplicaciones en numerosos dispositivos electrónicos. El más espectacular es el squid, que permite medir campos magnéticos muy poco intensos y tiene numerosas aplicaciones médicas e instrumentales en la física y la ingeniería. En 1986, J. C. Bednorz y K. A. Müller, en un laboratorio de investigación de la compañía ibm en Zúrich, Suiza, hicieron el descubrimiento de los materiales superconductores cerámicos que han alcanzado ya temperaturas de transición superconductoras por arriba de la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido (de hecho ya se tienen temperaturas de transición por arriba de los 134 K) y que hace ya muy atractiva y factible la utilización de los materiales superconductores, con todas sus maravillosas propiedades, en la vida diaria del ser humano. Por su descubrimiento, a Bednorz y Müller se les otorgó el Premio Nobel de Física en 1987. En 2003 se otorgó el Premio Nobel de Física a tres científicos muy relevantes: Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg y Anthony Leggett. Es bien sabido que la teoría bcs es adecuada para los llamados superconductores tipo i, pero no para los que son tecnológicamente más importantes, los superconductores tipo ii. En los superconductores tipo ii, magnetismo y superconductividad coexisten al mismo tiempo y permanecen en el estado superconductor con campos magnéticos muy intensos. Alexei Abrikosov explicó con éxito este fenómeno. Su punto de partida fue una teoría formulada para los superconductores tipo i por Vitaly Ginzburg (fallecido a los 93 años, el 8 de noviembre de 2009) y otros colegas, pero que resultó ser tan amplia que era también válida para los superconductores tipo ii. Aunque estas teorías fueron desarrolladas en la década de 1950, este tipo de superconductores ha ganado importancia renovada por el rápido desarrollo de materiales con propiedades completamente nuevas. En la actualidad los materiales superconductores se están obteniendo con temperaturas críticas cada vez mayores y con campos magnéticos críticos cada vez más intensos. Por otro lado, el helio líquido, a bajas temperaturas, puede volverse superfluido, esto es, que pierde totalmente su viscosidad y puede fluir a través de aberturas del tamaño de un átomo sin ninguna dificultad. Los átomos del poco común isótopo de helio conocido como helio-3 se vuelven superfluidos formando pares análogos a los pares de electrones en un superconductor. En la década de 1970, Anthony Leggett formuló la teoría que explica el ordenamiento de los átomos en los superfluitos.

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