Superconductores

INTRODUCCIÓN A LA SUPERCONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA

Los metales ofrecen una cierta resistencia eléctrica: 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 cerca de la temperatura mas baja posible, unos 273 grados centígrados bajo cero. Es interesante comentar que los buenos conductores, como la plata, el oro y el cobre, son superconductores, pero sólo a temperaturas extraordinariamente bajas, ¡del orden de 400 a 600 microKelvin. Dado que conseguir temperaturas tan bajas resulta muy costoso, el gran objetivo de la ciencia es encontrar materiales superconductores que operen a temperaturas más altas.

En 1933 dos científicos alemanes, Meissner y Ochsenfeld, descubrieron la otra propiedad del estado superconductor: un material que transita al estado superconductor no tiene resistencia eléctrica y es un diamagneto perfecto. ¿Qué quiere decir esto? Simplemente que si colocamos un imán cerca de un superconductor las líneas de flujo del campo magnético no podrán penetrar en su interior. Esta propiedad se llamó efecto Meissner. En los primeros años de la década de los cincuenta, con la teoría de Ginzburg y Landau, se pudo explicar de una manera simple el comportamiento de un superconductor en presencia de campos magnéticos. Aun que Alexis Abrikosov—galardonado también con el premio Nobel de física de 2003—demostró que en algunos superconductores, conocidos como del tipo II, el efecto Meissner deja de existir cuando el campo aplicado sobrepasa cierto valor y el flujo magnético penetra en el superconductor formando una red “cristalina” de vórtices de forma triangular.

En 1957 John Bardeen, León Cooper y Robert Schrieffer propusieron el mecanismo microscópico que produce la superconductividad: el apareamiento de electrones con espín opuesto. Esta larga búsqueda para conformar una teoría que explique el estado superconductor se debió a que en esa época en la física del estado sólido todavía no se manejaban las teorías de muchos cuerpos con el detalle actual ni los fenómenos que tienen que ver con sistemas fuertemente correlacionados. Imaginemos que para resolver el problema tuviéramos que resolver 1019 ecuaciones diferenciales. Sabemos que es imposible. Lo que Bardeen, Cooper y Schrieffer hicieron fue tomar métodos de física nuclear y adaptarlos al estado sólido. Lo anterior resultó tan benéfico y dio tan buenos frutos que muchos conceptos nuevos de la física matemática fueron subsecuentemente desarrollados en la física de sólidos y posteriormente exportados a otras ramas de la física —recientemente se comienzan a usar en biología y también en el mundo de las finanzas y de la macroeconomía—; pero siguiendo con la superconductividad diremos que dos hechos son dignos de mencionar: cuando un material transita al estado superconductor la entropía del sistema se torna menor a la del estado normal, indicando que el estado superconductor es un estado más ordenado y por consiguiente más estable que el normal. También es interesante mencionar que a diferencia de otras transiciones de fase, ésta no ocurre en el espacio real sino en el espacio fase. ¿Cuál es el significado de esto? Si uno pudiera mirar con un microscopio de suficiente resolución lo que le ocurre a un material en el estado superconductor, no observaría diferencia alguna respecto a un material normal, tampoco cambios en la estructura cristalina ni en la estructura electrónica. Los electrones siguen siendo electrones y la red cristalina sigue siendo la misma. Sucede que los pares de electrones se forman a distancias inmensamente grandes comparativamente con la dimensión de los electrones, de tal forma que en una pareja de electrones éstos se encuentran muy alejados uno de otro, y entre una pareja y otra hay un número enorme de electrones, miles o millones de electrones y miles o millones de parejas, que distinguen cuál es su pareja. A propósito del nombre de los pares, se les llama pares de Cooper, porque fue León Cooper (La C de la teoría BCS) quien demostró que era posible

...