Física de Materiales. Superconductividad (I).

Uno de los temas que más interesan a los físicos de materiales de hoy en día, ya que tiene preguntas sin respuesta y la previsión de grandes aplicaciones es la superconductividad. A principios del siglo XX ya se sabía que en los metales, al aumentar la temperatura, aumenta su resistividad (al contrario que en los semiconductores, no confundir con superconductores, en los que la resistividad disminuye al aumentar la temperatura). La superconductividad fue descubierta el siglo pasado por el holandés Heike Kamerlingh, que en 1911 vio que al enfriar mucho el mercurio, al llegar a tener 4 grados absolutos, su resistividad disminuía bruscamente a cero.

Cuando un material no tiene resistividad, es capaz de trasportar corriente eléctrica sin que se pierda energía, es decir, no se produce el efecto Joule, que predice que al colisionar los electrones con los átomos del material, son frenados, por lo que dicha energía se pierde en forma de calor.

Al principio, cuando se empezó a coquetear con esta propiedad, no se podía explicar teóricamente ya que se desconocía la mayoría de la mecánica cuántica actual, y la superconductividad es un fenómeno cuántico. Tiempo después se encontraron otros materiales superconductores (tenían una temperatura crítica por debajo de la cual no tenían resistividad), por los años treinta, Meissner descubrió que cuando un material se encontraba en este estado, no dejaba entrar a su interior ningún campo magnético (diamagnetismo perfecto), nombrando a este nuevo suceso con su apellido, produciendo, entre otras muchas cosas, la espectacular levitación de imanes sobre superconductores (o a la inversa). Este hallazgo se intentó explicar cuantitativamente mediante las fórmulas de los hermanos London, que a pesar de sus fallos, fueron una pequeña introducción.

A esta teoría le siguió más adelante la de Ginzburg y Landau (nacidos en Rusia y Azerbaiyán) que lo explicaba macroscópicamente, mejorada después por la teoría BCS (desarrolalda por Bardeen, Cooper y Schrieffer) con un punto de vista microscópico. La teoría BCS es la que se utiliza actualmente, a pesar de que tenga unos cuarenta años de antigüedad y no se cumpla para ciertos superconductores. Uno de los elementos más importantes de la teoría BCS, de la que hablaré en otra entrada, son los pares de Cooper, que hace referencia al par de electrones que bajo estas circunstancias se comportan como si se atrajeran.

Los superconductores se pueden dividir en muchas clases, generalmente se les divide o bien dependiendo de su temperatura crítica, o según el llamado factor Ginzburg-Landau que separa aproximadamente a los convencionales (que cumplen la teoría BCS) de los no convencionales. Según dicho factor están los de Tipo I (la mayoría convencionales) y los del Tipo II (en éstos, el efecto Meissner solo ocurre completamente para campos magnéticos por debajo de un valor crítico, apareciendo sino los vórtices de Abrikosov). Según la temperatura crítica se dividen en por encima y por debajo de 77 K (por encima de 77 K se pueden enfriar mediante técnicas baratas y prácticas). Los que tienen su temperatura crítica por encima de los 77 K son no convencionales.

Y, finalmente, ¿qué materiales podemos encontrar que sean superconductores? Pues los hay de muchos tipos, elementos como el estaño, aluminio, tecnecio, vanadio, niobio, aleaciones (oro-indio, niobio-titanio), el fulereno o los actuales nanotubos (grafeno), cerámicas (como la YBCO: Óxido de itrio, bario y tritio), el recientemente descubierto dioburo de magnesio,… Los metales nobles (más centrados en la tabla periódica) no suelen serlo. Además, ya están construyendo cables (HTS: High Temperature Superconductor).