Superconductores a alta temperatura Física y Química

Superconductores a alta temperatura

Física y Química

Número de páginas: 16

Alba Otalecu Rueda

Índice

Introducción        2

Historia de la superconductividad        3

Superconductividad y teoría BCS        5

Tipos de superconductores        8

Superconductores y semiconductores        10

Efecto Joule        10

Aplicaciones de los superconductores        12

Bibliografía        13

Anexo        16

Introducción

La superconductividad es uno de los fenómenos más interesantes de la física moderna. No se descubrió hasta principios del siglo XX y todavía no se conoce bien su funcionamiento, por lo que numerosos científicos de todo el mundo trabajan para comprenderla, sobre todo para poder fabricar algún día superconductores a temperatura ambiente lo cual, como intentaré mostrar en este trabajo, supondrá una verdadera revolución científica y tecnológica.

Precisamente el hecho de que todavía los científicos no puedan explicar totalmente cómo se produce lo convierte en un tema muy interesante sobre el que investigar.

Es un tema muy difícil de comprender, por lo que leeré la mayor cantidad posible de publicaciones y vídeos sobre el tema para así hacerme una idea lo más exacta posible.

Historia de la superconductividad

Antes de comenzar con la historia es importante saber que en física y química se usa una unidad temperatura: el grado Kelvin (K). La relación entre grado Kelvin y Centígrado es:

K = ºC +273,15

La temperatura de 0 K (-273,15 ºC) se llama “cero absoluto”. Cuando se alcanza la temperatura de cero grados kelvin, la energía térmica de moléculas y átomos es casi cero. La materia no puede alcanzar una temperatura por debajo del cero absoluto porque ya tiene la energía más pequeña. El cero absoluto es muy importante, porque cuando la temperatura se acerca al cero absoluto, ocurren fenómenos como la superfluidez y la superconductividad.

Durante todo el siglo XIX los físicos intentaron licuar todos los gases. Licuar los gases podría permitir estudiar el comportamiento de los materiales a muy bajas temperaturas.

En 1908 Kamerlingh Onnes consiguió licuar el helio a una temperatura de 4,22 K, que era la temperatura más baja que se había alcanzado hasta ese momento y por ello ganó el Premio Nobel en 1913. Onnes empezó a usar el helio líquido para estudiar qué pasaba con la resistencia de los metales cuando se sumergían en helio líquido.

Había tres hipótesis de lo que podía ocurrirle a un metal cuando la temperatura se acercara al cero absoluto:

• Según Dewar, la resistencia eléctrica iría disminuyendo de forma continua hasta llegar a cero.
• H.F. Matthiessen pensaba que la resistencia nunca sería cero en el cero absoluto debido a las impurezas que tienen los materiales y que darían resistencia al chocar los electrones contra ellas.
• La teoría de Kelvin era que cerca del cero absoluto los metales dejarían de conducir la electricidad porque los electrones se congelarían.

Kamerlingh Onnes y Gilles Holst en 1911 descubrieron que al bajar la temperatura del mercurio con el helio hasta 4,22K la resistencia del mercurio era casi nula. Ellos pensaron que habían demostrado la hipótesis de Dewar, pero más adelante descubrieron que la resistencia no bajaba de forma continua, sino que desaparecía de pronto a 4,15K. El

mercurio entraba en un nuevo estado al que llamaron “superconductor”.[pic 1]

Figura 1. Heike Kammerling Onnes y Gerrit Flim en el licuefactor

de helio del laboratorio de Leiden (1911). Fuente: Pérez (s.f.)

Durante un tiempo se pensó que la principal característica de un superconductor era la conductividad perfecta, pero en 1933 Walter F. Meissner y Robert Ochsenfeld descubrieron que los superconductores también expulsaban el campo magnético. Los superconductores tienen un diamagnetismo perfecto.

El problema fue que cuando se descubrió la superconducción todavía no se conocía la física cuántica y la física de las transiciones de fase y por tanto no podían explicar cómo se producía.

En 1957 Bardeen, Cooper y Schrieffer crearon la teoría BCS (las iniciales de sus nombres) por la que recibieron el premio Nobel de Física en 1972 que explicaba las propiedades físicas de los superconductores conocidos hasta entonces, que son los superconductores convencionales. Incluyen algunos metales y aleaciones metálicas, cuya

temperatura crítica no supera los 25 K.

Durante los años 60 y 70 muchos físicos y químicos se dedicaron a buscar materiales con temperaturas críticas mayores, hasta que Bednorz y Muller en 1986 descubrieron el LaSrCuO con una temperatura crítica de 36K. En 1987 Paul Chu consiguió subir la temperatura crítica a 93K en YBaCuO. Estos compuestos forman parte de la familia de los superconductores cupratos. La temperatura crítica más alta que se ha conseguido es de 160 K.

En 2008, se descubrió otra serie de superconductores a base de hierro. La temperatura crítica más alta que han alcanzado son 56K.

Superconductividad y teoría BCS

Un superconductor es un metal que tiene estas dos características:

1.        Conduce la electricidad sin ningún tipo de resistencia por debajo de la llamada temperatura crítica TC.  Su resistencia va bajando continuamente con la temperatura hasta que llega a la temperatura crítica y de repente la resistencia pasa a cero. En los metales normales la resistencia simplemente va bajando con la temperatura.[pic 2]

Figura 2: Resistencia en función de la temperatura de un

      metal normal y uno superconductor. Fuente: Izquierdo (2018)

2.        Efecto Meissner: cuando se aplica un campo magnético a un superconductor con temperatura mayor que la temperatura crítica, las líneas del campo magnético pasan a través del campo magnético, pero si se aplica un campo magnético a un superconductor cuya temperatura es menor que la temperatura crítica, el superconductor expulsa el campo magnético del interior. El campo magnético en el interior de un superconductor siempre es cero.

Figura 3: El efecto Meissner. Paso a superconductor cuando la T<Tc.[pic 3]

Fuente: Olmo, Nave (2017)

La explicación de porqué se produce este fenómeno de la superconducción la dieron Bardeen, Cooper y Schrieffer en 1957 con su teoría BCS:

En los metales, los átomos permiten que los electrones en sus capas de valencia se muevan libremente a través del material, y se forma una red periódica de iones positivos. Como los electrones se comportan como ondas que se adaptan a la red periódica, lo que crea la resistencia del metal en condiciones normales es el choque de estas ondas de electrones con la vibración térmica de la red de iones (llamados fonones). Además, la onda de electrones choca con impurezas (un átomo en la red cristalina es reemplazado por otro átomo) y defectos (debido a la ausencia de átomos o la presencia de demasiados átomos) en la red, provocando una resistencia.

En el estado superconductor, incluso en presencia de estas impurezas, defectos y vibración térmica, la resistencia eléctrica es cero. De acuerdo con la teoría de superconductividad BCS, este fenómeno es una manifestación de un estado cuántico colectivo, en el que los electrones se emparejan para formar bosones llamados pares de Cooper, y estos bosones se condensan en una función de onda cuántica macroscópica. El estado es cuántico porque viene descrito por una función de onda y es colectivo porque todas las parejas de Cooper participan en este estado.

Los pares de Cooper se forman porque cuando un electrón se mueve por el metal, como los cationes de la red tiene carga positiva y el electrón negativa, se ven atraídos por el electrón. Como el electrón se mueve mucho más rápido que los cationes, la red formada por éstos se estrecha y no vuelve inmediatamente a su posición original después de que el electrón haya pasado. Esta deformación con carga positiva puede atraer a otro electrón que pase por ahí en ese momento y se formará el par de Cooper. Todos los pares de Cooper tienen la misma velocidad y están en la misma fase en el estado cuántico.

[pic 4]

Figura 4: Formación de par de Cooper.

           Fuente: Morrón (2013)

Cuando sube la temperatura y se alcanza la energía suficiente para romper el par de Cooper, habremos alcanzado la Temperatura crítica (Tc) y el metal dejará de ser superconductor.

La superconductividad representa una manifestación del comportamiento cuántico de la materia a escala macroscópico.

Un problema de esta teoría es que no puede predecir qué materiales serán superconductores.

Pero la mayor limitación de esta teoría es que explica bien el comportamiento de algunos superconductores llamados superconductores convencionales (la mayoría de los cuales son superconductores de Tipo I, como el aluminio, el plomo o el mercurio), pero descubrió que no puede predecir los resultados experimentales de los llamados superconductores no convencionales (generalmente sustancias más complejas, como aleaciones, cerámicas o fullerenos).

...