Libro "superdondutividad

PREFACIO

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 usos 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 los aeroplanos. En el segundo está la posibilidad de transmitir energía eléctrica desde los centros de producción, como presas o reactores nucleares, hasta los centros de consumo, sin pérdidas de ningún tipo en el trayecto. Para el tercer tipo podemos mencionar la posibilidad de fabricar supercomputadoras extremadamente veloces.

Es muy probable que para los primeros años del siglo XXI atestiguaremos, de nuevo, la influencia de un descubrimiento científico en la manera de vivir del ser humano. Esto se puede afirmar, en especial, a raíz del hallazgo en 1986 de los materiales superconductores cerámicos que tienen temperaturas de transición al estado superconductor superiores a la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido (que es, aproximadamente, de 77 Kelvin o, lo que es lo mismo, -196°C. Se utiliza la palabraKelvin para definir la temperatura absoluta), lo que significa una gran simplificación en la construcción de los aparatos en que se emplee el fenómeno de la superconductividad, al compararlas con las temperaturas de transición más altas conocidas anteriormente de 23 Kelvin. 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. 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).

No fue sino hasta 1957 que pudo entenderse el origen del fenómeno, al menos en lo que respecta a 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. Schrieffer 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.

En 1986, J. C. Bednorz y K. A. Müller, en un laboratorio de investigación de la compañíaIBM en Zurich, 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 Kelvin) 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 J.C. Bednorz y K. A. Müller se les otorgó el premio Nobel de Física de 1987.

Aunque ya se sabe con certeza que en estos materiales (como en los materiales superconductores convencionales) existen los pares de Cooper, que son los responsables del estado superconductor, todavía no se conoce el mecanismo (o combinación de mecanismos) de su formación.

En este trabajo se pretende describir, de manera sencilla, lo que es el fenómeno de la superconductividad, con sus principales características y aplicaciones. Las partes en forma de transcripción y en tipo menor tratan temas destinados a personas que saben un poco de mecánica cuántica o de física del estado sólido, y pueden ser excluidas de la lectura sin perder continuidad. Por último, es necesario mencionar que el descubrimiento y estudio de los superconductores, con la secuela de todas sus enormes y fascinantes posibilidades de aplicación y su correspondiente efecto económico, constituye uno de los ejemplos más claros de que una de las inversiones más redituables que puede realizarse en cualquier país es la investigación.

LUIS FERNANDO MAGAÑA SOLÍS

México, D.F., a 28 de febrero de 1997

I. ¿QUÉ ES LA SUPERCONDUCTIVIDAD?

HISTORIA

EL DESCUBRIMIENTO de la superconductividad es uno de los más sorprendentes de la historia de la ciencia moderna. Está íntimamente ligado con el interés de los físicos del siglo XIX en licuar todos los gases conocidos en aquel tiempo. Era ya bien sabido que la inmensa mayoría de los gases sólo podrían licuarse a temperaturas muy por debajo de cero grados centígrados. La licuefacción de los gases permitiría estudiar los fenómenos que se presentan en los materiales a temperaturas muy bajas.

Un par de años antes de la guerra de EUA contra México, esto es, en 1845, Michael Faraday de la Royal Institution de Londres pudo, finalmente, perfeccionar una técnica para licuar gases que 23 años antes había encontrado en forma accidental. Sin embargo, esta técnica no resultaba fácil para la licuefacción del helio (He), del hidrógeno (H), del oxígeno (O2), del nitrógeno (N2), del metano (CH4), del monóxido de carbono (CO), ni del óxido nítrico (NO), que eran los únicos gases que faltaban por licuar de todos los que se conocían en aquella época y, en consecuencia, tampoco el aire había sido licuado. Sin embargo, para 1867 el francés Luis Cailletet fue el primero en licuar oxígeno (90.2K o -182.96°C) y realizar descubrimientos que mostraron la posibilidad

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