La superconductividad: conceptos básicos y aplicaciones

Hoy os traemos un artículo sobre uno de los fenómenos físicos que resulta más impactante la primera vez que se observa: la superconductividad.

¿Qué es un superconductor?

Un superconductor es un metal que posee dos características principales:

  • Conduce la electricidad sin oponer resistencia por debajo de una cierta temperatura que se denomina temperatura crítica TC , a diferencia de los metales normales, en los que la resistencia simplemente decae con la temperatura, como se puede ver a continuación:
Figura 1: Resistencia en función de la temperatura de un metal normal (rojo) y uno superconductor (azul).
  • Efecto Meissner: cuando se aplica un campo magnético a un superconductor a una temperatura superior a la temperatura crítica, las líneas de campo magnético lo atraviesan (izqda.), pero si se aplica cuando la temperatura es inferior a la crítica, el superconductor expulsa las líneas de campo magnético (dcha.).
Figura 2: Modelo de representación del efecto Meissner.

Un superconductor se diferencia de un conductor ideal, con resistencia nula, en que un superconductor además de no tener resistencia eléctrica, también es un diamagnético perfecto. Cuando se aplica un campo magnético externo a un material diamagnético, los spines de los electrones, concepto que explicamos en el artículo Las fuerzas fundamentales y el modelo estándar, tienden a alinearse de tal manera que se oponen en cierta medida al campo aplicado, tal y como expresa la ley de Lenz. Sin embargo, en un diamagnético perfecto no existe ninguna resistencia a la alineación de los spines y el material se opondrá por completo al campo magnético aplicado hasta llegar a contrarrestarlo.

Debido a esta propiedad adicional de los superconductores, tanto si los enfriamos primero por debajo de su temperatura crítica y luego aplicamos el campo magnético como si lo hacemos en el orden inverso, se producirá el efecto Meissner y en ambos casos no habrá magnetización remanente al desconectar el campo magnético:

Figura 3: Aplicación de un campo magnético y enfriamiento en un superconductor (resistencia eléctrica nula y diamagnético perfecto).

Sin embargo, en los conductores ideales solo lograríamos que expulsasen las líneas de campo magnético si se enfrían primero y luego se aplica el campo magnético. En orden inverso no se produciría el efecto y al desconectar el campo permanecería una magnetización remanente en el material:

Figura 4: Aplicación de un campo magnético y enfriamiento en un conductor ideal (resistencia eléctrica nula).

¿Cuál es el origen de la superconductividad?

Un sólido está formado por átomos que forman una red periódica que puede tener diferentes geometrías:

Figura 5: Ejemplos de estructuras cristalinas.

En los metales, los átomos permiten que los electrones de la capa de valencia se puedan mover libremente por el material y la red periódica queda formada por los iones positivos. Dado que los electrones se comportan como ondas que se adaptan a la red periódica cristalina del material, los choques que forman la resistencia del metal en el estado normal son entonces las colisiones de estas ondas electrónicas con las vibraciones térmicas propias de la red iónica, denominadas fonones. Además, contribuyen a la resistencia las colisiones de las ondas electrónicas con las impurezas (donde un átomo de la red se sustituye por otro) y con los defectos (debidos a la ausencia de un átomo o a que haya átomos sobrantes) que tenga la red cristalina.

En el estado superconductor, la resistencia es cero aun habiendo estas impurezas, defectos y vibraciones térmicas. Según la teoría BCS de la superconductividad propuesta por Bardeen, Cooper y Schrieffer en 1957, este fenómeno es una manifestación de un estado cuántico colectivo en el que los electrones se aparean formando unos bosones denominados pares de Cooper, que condensan en una función de onda cuántica macroscópica.

Figura 6: Formación de un par de Cooper, a la izqda. se muestra al primer electrón y a la dcha, al segundo. (Fuente: Atomic and electronic structure of solids – Kaxiras)

Los pares de Cooper se forman porque cuando un electrón se mueve por el metal, los iones de la red se ven atraídos, ya que éstos tienen cargas positivas y el electrón carga  negativa. Como el electrón se mueve más rápido que los iones, la red formada por éstos se estrecha después de que el electrón haya pasado. Cuando un segundo electrón con un momento opuesto pasa por el mismo sitio, pero un instante después, topa con la deformación de la red y se favorece la formación del par del Cooper.

Los electrones de un par de Cooper forman una esfera con velocidades opuestas y espines opuestos para cumplir el principio de exclusión de Pauli, ya que aunque el par de Cooper sea un bosón, cada uno de sus dos electrones son fermiones. Los pares de Cooper sin embargo no se rigen por el principio de exclusión de Pauli por ser bosones y se mueven todos a la misma velocidad y con la misma fase en el estado colectivo cuántico.

Uno de los grandes logros de la teoría BCS fue la derivación del gap superconductor, que es la energía necesaria para romper un par de Cooper, y está directamente relacionada con la temperatura crítica, lo cual explica por qué a partir de dicha temperatura el material deja de estar en el estado superconductor.

Tipos de superconductores

Figura 7: Variación de la magnetización en función del campo magnético para los dos tipos de superconductores.

Tipo I

El material se comporta como un superconductor, expulsando las líneas de campo magnético, hasta que el campo aplicado sobrepasa un cierto valor denominado campo magnético crítico HC , que varía con la temperatura. A partir de este valor la superconductividad se destruye y el material pasa a estar en un estado normal.

Tipo II

El material está en el estado superconductor, expulsando el campo magnético, hasta un cierto valor denominado campo crítico HC1 . Al sobrepasarse este valor se forma un estado mixto donde el material ya no se comporta como un superconductor porque se pierde la propiedad del diamagnetismo perfecto, y entran líneas de campo magnético, formándose vórtices que destruyen la superconductividad a nivel local. Si se sigue aumentando el campo magnético aparecen más y más vórtices, hasta que a un cierto campo crítico HC2 se fusionan destruyendo la superconductividad y el material pasa al estado normal.

Figura 8: Esquema de las redes de vórtices que se forman en el estado mixto.

El estado mixto fue propuesto por Abrikosov en 1956 y más tarde se observaron experimentalmente las redes de vórtices con técnicas como decoración Bitter, Magneto–optical imaging, Magnetic Force Microscopy y Scanning Tunneling Microscopy, las cuales explicamos en nuestro artículo Las microscopías de campo cercano.

Figura 9: Visualización de las redes de vórtices.

La teoría de Abrikosov muestra que el flujo magnético que va a través de los vórtices está cuantizado, constituyendo una prueba experimental de que los electrones están apareados en pares de Cooper, tal y como predice la teoría BCS.

Cuando los vórtices se anclan a los defectos del material, el imán que los ha generado se queda levitando encima del superconductor, dando lugar al fenómeno de la levitación magnética.

Figura 10: Experimento de levitación magnética.

Aplicaciones de la superconductividad

  • Trenes de levitación magnética MAGLEV, ya implementados en algunos países como China y Japón, capaces de alcanzar los 500km/h.

https://www.youtube.com/watch?v=aIwbrZ4knpg&t=286s

  • Resonancias magnéticas. Dado que en los superconductores de tipo II HC2 es mucho mayor que HC1 se pueden utilizar para crear campos magnéticos muy intensos que permiten llevar a cabo una resonancia magnética.

Superconductores de alta temperatura crítica

La superconductividad fue descubierta en 1911 por Heike Kammerlingh Onnes y Leiden en el elemento mercurio, con una temperatura crítica de 4.2K que fue posible alcanzar gracias a la previa licuefacción de Helio 4, lograda por primera vez en 1908. Desde entonces, se conocen ya muchos elementos y compuestos superconductores con una temperatura crítica cada vez más alta, pero que sigue estando lejos de la temperatura ambiente que permitiría transportar la electricidad sin pérdidas de energía.

Figura 11: Evolución de la temperatura crítica según se descubren nuevos compuestos.

En 2015, Drozdov, Eremets, Troyan, Ksenofontov y Shylin publicaron en la revista Nature un artículo sobre el registro de una temperatura crítica de 203K en hidruros de azufre, batiendo todos los récords hasta ahora, aunque sólo se alcanzaba bajo condiciones de altas presiones. Todavía queda mucho que hacer hasta descubrir un superconductor a temperatura ambiente y presión atmosférica, aunque todo apunta a que estamos cada vez más cerca de lograrlo.

BIBLIOGRAFÍA:

  • Divulgación en superconductividad (ICMM-CSIC): https://wp.icmm.csic.es/superconductividad/
  • Diapositivas del profesor Chema Gómez Rodríguez de la asignatura “Electrónica Física, Magnetismo y Superconductividad” de 4º del Grado en Física de la Universidad Autónoma de Madrid.

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