LA SUPERCONDUCTIVIDAD. La superconductividad es una tecnología en constante desarrollo que está destinada a jugar un importante papel en nuestras vidas hacia el siglo XXI. Naturalmente el logro de mayores temperaturas críticas está ligado al descubrimiento de nuevos materiales. Se prevé que el impacto que pueda causar en la sociedad mundial será semejante, sino mayor, al que tuvo la utilización del transistor. Los gobiernos de los países industrializados tienen plena conciencia de la relevancia de invertir importantes sumas de dinero en investigación en esta área, dada la ventaja estratégica y competitiva que puede llegar a brindar el hecho de estar a la vanguardia en la fabricación y utilización de la superconductividad en las diferentes áreas en las que es factible su aplicación, por lo que cada vez es más clara la competencia existente entre laboratorios, empresas y países. Concepto La superconductividad es una propiedad de algunos compuestos que no oponen resistencia alguna al paso de corriente ya que los electrones se desplazan sin colisiones y en zigzag a través de los cristales del átomo, es decir materiales con resistencia nula con los cuales se puede ahorrar la energía que se disipa en forma de calor en los otros conductores, debido a la colisión de los electrones entre sí y con los átomos del material. Además de lo anterior tienen otra característica muy importante que consiste en que expulsan de su interior los campos magnéticos mientras estos no sobrepasen un valor límite. Origen El descubrimiento de la superconductividad se remonta a 1908, año en el que el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes llegó a enfriar el helio hasta el punto de su licuefacción, a una temperatura próxima al cero absoluto. Esta experiencia le permitió observar fenómenos desconocidos hasta entonces y casi inconcebibles para los científicos de la época: por un lado, la superfluidez y por el otro lado la superconductividad, que Onnes demostró por primera vez en 1911. Para lograr estas bajas temperaturas es necesario poner las muestras en contacto con helio líquido, elemento difícil de obtener y que requiere de procesos complicados y costosos para mantenerlo en su fase líquida. Desde entonces se inicio una búsqueda ininterrumpida para alcanzar aleaciones que alcanzaran la fase superconductora a temperaturas más elevadas. La curiosidad que Onnes sentía hacia el comportamiento de la materia a bajas temperaturas lo condujo al descubrimiento de la superconductividad experimentando con el mercurio, siendo posible porque había conseguido la licuación del helio que permitió enfriar los materiales a temperaturas próximas al cero absoluto (-273°C). Puesto que el helio líquido es el mejor método que se conoce de refrigerar a temperaturas extremadamente bajas, la superconductividad podría verse obligada a esperar el desarrollo de nuevos materiales con temperaturas críticas mas altas para poder ofrecer beneficios fuera del entorno de un laboratorio. Algunos científicos que trabajaban con superconductores similares a los empleados por Onnes, intentaron subir ligeramente la temperatura crítica mezclando compuestos para formar aleaciones superconductoras. Hacia 1933 la temperatura crítica fue duplicada a 10°K (aún muy baja). El proceso fue lento y frustrante hasta 1941 cuando se encontraron aleaciones de niobio que se volvían superconductoras a 15°K. No fue hasta 1969 cuando la temperatura crítica volvió a duplicarse nuevamente, alcanzando los 20°K. Este avance fue muy importante, puesto que el hidrógeno se licúa a 20°K. Por primera vez podía utilizarse otro agente refrigerador. Hacia 1971, los mejores superconductores eran aleaciones de niobio-aluminio y niobio-germanio que alcanzaban esta fase. En 1972 se concedió el Premio Nóbel de Física a J. Bardeen, L.N. Cooper y J.R. Schriffer por sus trabajos realizados a finales de la década de los años cincuenta, que daban cuenta del origen microscópico de la superconductividad. En 1973, la temperatura crítica subió unos pocos grados más, a 23°K. Durante aproximadamente una década, los científicos intentaron aumentar la temperatura crítica. Experimentaron sin éxito con muchos compuestos y aleaciones. Finalmente en 1986 dos investigadores de IBM en Zurich anunciaron haber conseguido subir la temperatura crítica a 30°K en un material completamente nuevo. Los nuevos materiales superconductores que no son aleaciones metálicas sino cerámicas hechas a base de óxido de cobre mezclados con bario o estroncio y alguno de los elementos conocidos como tierras raras (lantano, itrio y neodimio). Alex Müller y Georg Bednorz habían sintetizado un complejo material cerámico (BaLaCuO) que presentaba superconductividad a 30°K. Este extraordinario descubrimiento impulsó a muchos investigadores a trabajar con materiales cerámicos similares. Unos meses después la temperatura crítica fue aumentada a 39°K. En febrero de 1987 Ching-Wu (Paul) Chu y su equipo de investigación de la Universidad de Houston anunciaron haber desarrollado un superconductor con una temperatura de 98°K (Mezcla de óxido de cobre, bario e itrio (YBaCuO). Este descubrimiento causó un gran impacto en la comunidad científica mundial, pues la barrera impuesta por la necesidad de utilizar helio líquido había sido traspasada. El nitrógeno se licúa a 77°K, una temperatura bastante inferior a la temperatura crítica alcanzada. El nitrógeno líquido es fácil de transportar en termos aislados, es muy barato, abundante y fácil de enfriar a diferencia del proceso con helio líquido es costoso. En 1988 el óxido de cobre, calcio, bario y talio (TlBaCaCuO) alcanzó una temperatura crítica de 125°K. Las investigaciones efectuadas en el laboratorio de la Escuela Superior de Física y Química Industrial de París en mayo de 1993, trabajando con películas de óxido mixto de cobre, calcio, bario y mercurio (HgBaCaCuO) lograron una temperatura crítica de 133°K. Este mismo equipo logró en diciembre de 1993 una temperatura crítica de 250°K a partir de un compuesto de bismuto, estroncio, calcio y óxido de cobre (BiSrCaCuO). Los compuestos que han originado los sorprendentes adelantos en materia de superconductividad son todos cupratos de la familia de las perovskitas de cobre, es decir, cristales constituidos por el apilamiento, en todas las direcciones del espacio, de octaedros que contienen en su centro un átomo metálico, el cobre, con átomos de oxígeno en los vértices; los espacios entre los octaedros están ocupados por otro átomo metálico. Sin embargo, la carrera de la temperatura crítica aún no ha terminado. Los científicos sueñan con superconductores a temperatura ambiente, que no necesiten refrigerarse, la cual está en torno a los 293°K (20°C). Propiedades Los superconductores ofrecen cuatro grandes ventajas sobre los conductores normales que podrían ser explotadas en muchas aplicaciones, ellas son: Conducen la electricidad sin pérdida de energía, y por tanto, podrían utilizarse en lugar de los conductores para ahorrar energía. No tienen resistencia, y por consiguiente no generan calor cuando se hace pasar corriente eléctrica por ellos. En un conductor ordinario, la pérdida de energía debida a su resistencia se disipa en forma de calor. Este calor impone un límite al número de componentes electrónicos que pueden ser empaquetados juntos. Utilizando superconductores se podrían empaquetar herméticamente un gran número de componentes electrónicos, sin preocuparse por la disipación de calor. Tienen capacidad para crear campos magnéticos intensos. Estos campos pueden ser generados por imanes superconductores relativamente pequeños. Pueden utilizarse para formar uniones Josephson, que son conmutadores superconductores. Su funcionamiento es similar al de un transistor, pero la unión Josephson es capaz de conmutar a una velocidad 100 veces superior. Conectando dos uniones Josephson de una forma especial, pueden detectarse campos magnéticos extremadamente débiles. Estos detectores tan sensibles de campos magnéticos reciben el nombre de SQUID's (Super-conducting Quantum Interference Devices Dispositivos superconductores de interferencia cuántica) Las principales propiedades de los superconductores son las siguientes: El efecto Meissner Si un superconductor se refrigera por debajo de su temperatura crítica en el seno de un campo magnético, el campo rodea al superconductor, pero no penetra en él. Este fenómeno se conoce con el nombre de Efecto Meissner y fue descubierto en 1933. Sin embargo, si el campo magnético es demasiado intenso, el superconductor vuelve a su estado normal incluso estando a una temperatura inferior a su temperatura crítica. Tomando como criterio la capacidad de un superconductor para repeler un campo o flujo magnético, es posible clasificar los superconductores en dos tipos. Los superconductores de tipo I son simples metales puros, tales como el plomo o el estaño. Estos repelen el campo magnético hasta que alcanza una determinada intensidad. Esta intensidad se denomina campo crítico, y es distinto para cada superconductor. Una vez que el campo magnético ha alcanzado su valor crítico, el superconductor vuelve a su estado normal perdiendo sus propiedades. Los superconductores de tipo II se comportan de una forma ligeramente distinta. Estos superconductores son materiales más complejos, a menudo aleaciones de metales de transición (los metales de transición son un grupo de elementos del Sistema Periódico). En un superconductor tipo II, existe un segundo campo crítico más intenso que el primero. Una vez que el campo magnético ha alcanzado su primer valor crítico, el superconductor ya no repele completamente el campo, pero sigue conduciendo sin ofrecer resistencia. Cuando el campo alcanza un segundo valor crítico, el material presenta resistencia eléctrica. La mayoría de los superconductores de interés actual son de tipo II. La densidad de corriente Aplicar un campo magnético intenso no es la única manera de destruir la superconductividad, una vez que el material ha sido refrigerado por debajo de su temperatura crítica. El paso de una corriente intensa a través de un superconductor también puede hacer que éste pierda sus propiedades. La cantidad de corriente que un superconductor puede soportar manteniendo nula su resistencia se denomina densidad de corriente, la cual se mide en amperios por unidad de área. Un valor típico de la densidad de corriente en un hilo superconductor es de 100.000 amperios por centímetro cuadrado. Si pasara una corriente más densa por el hilo, éste ofrecería resistencia. La mayor parte de los conductores normales, como el cobre, son isótropos, es decir, conducen la corriente con igual facilidad en todas las direcciones. Con un hilo conductor ó superconductor que se isótropo no importa cuál de los extremos del hilo se conecta al terminal positivo de la fuente eléctrica y cuál al negativo. Sin embargo, muchos de los superconductores de alta temperatura son anisótropos, es decir, conducen mejor en unas direcciones que en otras. Algunos de estos materiales son capaces de conducir la corriente en una dirección a una velocidad 30 veces superior que en otra. El efecto Josephson Otra propiedad interesante de los superconductores es el efecto Josephson, que está basado en otro fenómeno que recibe el nombre de efecto túnel. En una unión formada por una delgada barrera de óxido colocada entre dos superconductores, se puede producir efecto túnel. Las caras externas de los dos superconductores se unen entre sí y se mide la corriente que pasa a través de la unión. Cuando la unión se expone a campos magnéticos o radiación, el flujo de corriente debido a que algunos electrones atraviesan la barrera de óxido (efecto túnel). Este efecto puede emplearse en circuitos de computadores, y para detectar campos magnéticos muy débiles. Estudios muy recientes han demostrado que el efecto Josephson puede producirse a temperaturas muy superiores a las temperaturas críticas del material superconductor. Todas estas propiedades de los superconductores abren muchas puertas al desarrollo tecnológico, pues muchos dispositivos actuales pueden ser mejorados en eficiencia, sensibilidad y rapidez. De otra parte, aplicaciones antes irrealizables son ahora factibles gracias a la superconductividad. Teorías que explican la superconductividad Desde el descubrimiento de la superconductividad los científicos han intentado explicar el funcionamiento de los superconductores, pues la elaboración de una teoría que desvele los misterios de la superconductividad podría permitirles desarrollar nuevos y mejores superconductores y aprender más acerca de su comportamiento. Aún no existe una explicación ampliamente aceptada de por qué se produce superconductividad a alta temperatura. Para las antiguas generaciones de superconductores con temperaturas críticas próximas al Cero Absoluto, basta la teoría BCS. Sin embargo, es preciso encontrar una nueva teoría para los nuevos materiales que tenga en cuenta su importante actividad atómica. Es dudoso que se acepte a corto plazo una teoría completa de la superconductividad, puesto que existen superconductores con temperaturas críticas aún más altas que están en fase de experimentación. Sin embargo existen las siguientes: Teoría BCS En 1957 tres investigadores, John Bardeen, Leon Cooper y J.R. Schrieffer, publicaron una teoría que intentaba explicar como funcionan los superconductores. Esta teoría recibió el nombre de teoría BCS, y los tres investigadores fueron galardonados por su trabajo. No se debe olvidar que en 1957 aun no existían los superconductores de alta temperatura que hoy se están desarrollando. La teoría BCS intenta explicar la superconductividad a temperaturas próximas al Cero Absoluto. Cuando los materiales se refrigeran a estas temperaturas, el movimiento de sus átomos se reduce dramáticamente. La teoría BCS afirma que los electrones que fluyen a través de un superconductor se agrupan en pares debido a los fonones (Partículas asociadas a las vibraciones de la red cristalina), que crean una especie de pegamento subatómico. El par de electrones deja una estela al moverse a través de la red cristalina. Esta estela es aprovechada por los pares siguientes como camino a través de la red cristalina, evitando colisiones con otras partículas, lo que obstaculizaría el flujo y generaría resistencia eléctrica (como ocurre con los conductores normales). La teoría BCS supone que la actividad molecular de los átomos en la estructura cristalina del superconductor es muy reducida, cuando explica como los electrones pueden fluir a través de la red sin interferir con otras partículas. Esta teoría también explica por que el superconductor pierde su capacidad de conducir sin resistencia cuando se encuentra a una temperatura superior a su temperatura critica. Según la teoría BCS, a medida que sube la temperatura del material superconductor, aumentan las vibraciones de los átomos, que se traducen en vibraciones cada vez mayores de toda la red cristalina. Esta vibración excesiva provoca la ruptura del par de electrones, interrumpiéndose la estela del fonón, y causando la perdida de la superconductividad. La magnitud de las vibraciones de la red esta relacionada directamente con la temperatura. El Cero Absoluto es el punto al cual desaparecen todas las vibraciones. Por tanto, es imposible alcanzar una temperatura mas baja, y de ahí el nombre de "Cero Absoluto". A medida que sube la temperatura por encima del Cero Absoluto, la magnitud de las vibraciones aumenta sistemáticamente. La temperatura que tiene un material es justamente una medida del movimiento de sus átomos. El punto de fusión de un material (como por ejemplo el hilo) es simplemente la temperatura de transición a la cual las vibraciones son tan fuertes, que las fuerzas de cohesión de la estructura cristalina no son lo suficientemente grandes para mantener los átomos en las posiciones que ocupan en la red, quedando estos libres para desplazarse. Como resultado, un sólido rígido (hielo en el caso del agua) se convierte en un liquido. Si la temperatura sigue subiendo, se alcanza otra temperatura de transición en la que el movimiento atómico es tan grande que las fuerzas de atracción existentes en el liquido no pueden mantener a los átomos juntos. En ese momento el material se convierte en un gas. Debido a que los nuevos superconductores tienen temperaturas criticas bastante superiores al Cero Absoluto, parece ser que la teoría BCS no explica por que se produce superconductividad en estos nuevos materiales. Las temperaturas criticas son demasiado altas para poder suponer vibraciones reducidas, como ocurre en los antiguos superconductores. Aun así, la mayor parte de los teóricos creen que los electrones en los superconductores de alta temperatura fluyen emparejados. Teoría fundamentada en el excitón Debido a que resulta bastante difícil encontrar una razón que explique el emparejamiento de los electrones en los nuevos superconductores de alta temperatura, las teorías actuales atribuyen el emparejamiento de los electrones a un mecanismo mucho mas poderoso que el fonón de la teoría BCS. Dicho mecanismo es el excitón. El excitón, de "electronic excitation", es un mecanismo de interacción mas fuerte que los fonones y puede continuar operando a temperaturas mas altas. Cuando los nuevos superconductores de alta temperatura son enfriados a su temperatura critica, las vibraciones de la estructura cristalina se sincronizan de tal manera que los electrones son guiados a través de la red. Teoría fundamentada en los plasmones Atribuye el emparejamiento de electrones a altas temperaturas al mecanismo derivado de movimientos colectivos de electrones (plasmones). Teoría fundamentada en los magnones Atribuye a los magnones, fluctuaciones de spin, que se propagan a través de la red y que crean una especie de camino que los electrones pueden seguir sin sufrir obstáculos. Teoría RVB Utiliza el concepto de enlace de valencia resonante y se basa en la repulsión electrón-electrón: a causa de que los electrones tienen la misma carga se repelen entre sí, haciendo que se prepare ellos mismos su propio camino a través de la red. Estado del arte Fabricación y formas de los superconductores actuales El desarrollo de los superconductores de alta temperatura es tan reciente, que aún no han sido adaptados satisfactoriamente a la industria. Por ello la inmensa mayoría de las aplicaciones comerciales actuales están basadas en los antiguos superconductores. Actualmente la mayor parte de las aplicaciones de los superconductores a la industria utilizan su capacidad de conducir corriente sin resistencia. Para que un superconductor sea práctico debe ser resistente, de gran fiabilidad y fácilmente maleable. Existen dos grandes tipos de superconductores comerciales: las aleaciones dúctiles y los compuestos intermetálicos. Las aleaciones dúctiles comparten con los conductores la ventaja de que son fáciles de darles la forma de hilos y cables, y de que son relativamente maleables. Los compuestos intermetálicos con mucho más rígidos y aunque se les puede dar formas en el proceso de fabricación, no son flexibles. Las aleaciones dúctiles superconductoras son compuestos de niobio y titanio. Los compuestos intermetálicos se sintetizan con vanadio y galio. Los superconductores comerciales se suelen fabricar en forma de hilos, de manera que se puedan hacer bovinados para construir generadores, motores y electroimanes. Estos materiales tienen temperaturas críticas del orden de 10°K. Pueden generar campos magnéticos muy potentes y tienen densidades de corriente próximas a los 2.000 amperios por milímetro cuadrado. Estos compuestos comerciales de niobio-titanio o vanadio-galio cubren la mayor parte de las aplicaciones actuales de la superconductividad. Laboratorios y equipos de investigación de universidades de todo el mundo han orientado sus esfuerzos al estudio de compuestos cerámicos de perovskitas. La fabricación de estos materiales superconductores cerámicos es relativamente fácil, pueden sintetizarse en cualquier laboratorio modestamente equipado. El primer paso en el proceso es mezclar y calentar los ingredientes. Se combinan óxidos de los metales itrio (Y), bario (Ba) y cobre (Cu) con ácido cítrico y etilen-glicol. La mezcla se calienta inicialmente a unos 38° Celsius. Posteriormente, la mezcla ya caliente se mete en un horno, donde se cuece a unos 800°C, con lo que se vaporizan los componentes líquidos, cristalizando el material restante en forma de polvos negros. El polvo es comprimido en un horno especial que genera aproximadamente 150 Kg. por cm.2 de presión. El bloque resultante se enfría gradualmente durante varias horas. Una vez enfriado, el material se sumerge en un baño de nitrógeno líquido para probar la superconductividad. Se conecta un medidor de resistencia al material refrigerado para medir su resistencia eléctrica. Si el medidor no registra resistencia, probablemente se habrá conseguido superconductividad. Si además el material presenta efecto Meissner, entonces es un auténtico superconductor. Después de haber desarrollado y probado los nuevos materiales, los laboratorios están intentando darles formas útiles. Un bloque amorfo de superconductor no tiene interés práctico. Para poder diseñar dispositivos útiles, es necesario fabricar el material en hilos, cintas y otras formas. Usos actuales de la superconductividad La ciencia y la medicina se han beneficiado ya de las ventajas aportadas por la superconductividad para generar campos magnéticos intensos y detectar señales magnéticas débiles. Los físicos llevan mucho tiempo utilizando electroimanes superconductores para generar campos magnéticos de alta intensidad. Estos potentes electroimanes superconductores se han empleado como parte de un colisionador para acelerar partículas atómicas a velocidades extremas, para después hacerlas colisionar. El estudio de los efectos producidos proporciona a los científicos valiosos datos sobre la naturaleza de las partículas implicadas en la colisión. Un superacelerador conocido como SSC (Supercolisionador Superconductor) será 20 veces más potente que el Tevatrón. Tendrá forma de anillo y será de una longitud de 85 Km. Este superacelerador está siendo construido en los U.S.A. En el laboratorio se utilizan los aisladores magnéticos que sirven para aislar un mineral u otra sustancia determinada basándose en su densidad y propiedades magnéticas. Los materiales a aislar se mezclan en un fluido magnético. La mezcla se vierte en un dispositivo tubular rotatorio, rodeado por una bobina superconductora que genera un potente campo magnético. Este campo empuja hacia el exterior del fluido, causando que las partículas más densas se muevan hacia el tubo. Los SQUID`s (dispositivo superconductor de interferencia cuántica) se utilizan mucho en prospecciones. Con ellos se pueden medir las propiedades de las ondas electromagnéticas reflejadas al incidir en la superficie de la Tierra. Gracias a su alta sensibilidad en la detección de campos magnéticos son también utilizados por los médicos para hacer magnetoencefalogramas. En medicina la superconductividad es útil para la construcción de equipos de generación de imágenes. Las máquinas NMR (Resonancia Magnética Nuclear) y MRI (Imágenes por Resonancia Magnética) son capaces de generar imágenes detalladas del interior de organismos. Una máquina MRI puede generar, por ejemplo, una imagen del corazón de un paciente sin tener que hacer disecciones en la piel o introducir sondas en la sangre. La misma técnica puede aplicarse igualmente a otros órganos. Las máquinas MRI funcionan colocando al paciente en un potente campo magnético generado por un electroimán superconductor. Los productos disponibles hoy a partir del uso de materiales superconductores son dispositivos o componentes muy especializados: censores de campo magnético para fines didácticos y varillas de nivel para el nitrógeno líquido. No se puede decir que estos aparatos exciten la imaginación o revolucionen la sociedad; pero son hitos tangibles en el camino hacia el éxito comercial de los nuevos superconductores. Ya se están efectuando demostraciones de componentes de uso en comunicaciones por ondas micrométricas y rastreo militar y todo está a punto para que empiece su producción. Los cables se van haciendo más largos, cada vez pueden transportar más corriente y se han construido ya con ellos dispositivos que prueban la viabilidad técnica de las aplicaciones de potencia. Los científicos de Argonne National Laboratory en Argonne Illinois, fueron los primeros investigadores americanos en dar a los nuevos superconductores la forma de un hilo, el cual tiene un diámetro aproximado de 0.2 mm. Al hace el hilo tan fino se consigue que los rígidos materiales cerámicos presenten algo de flexibilidad. Unos investigadores de IBM han ideado un vaporizador de superconductores con el cual pueden cubrir (pintar) superficies complejas y de gran tamaño. Esta técnica aumenta la perspectiva de hacer útil, fácil y económicamente, confinamiento magnético, cableado de computadores y otras aplicaciones. Mediante una técnica industrial llamada vaporización de plasma, el superconductor puede se rápidamente calentado a miles de grados Celsius y depositado en una superficie cualquiera, en la que posteriormente se resolidifica. Después de la formación de la capa la superficie es recocida, obteniéndose un recubrimiento que se hace superconductor al refrigerarse.
