Thursday, August 21, 2014
1

Los cien años de la superconductividad

CHICAGO – Recientemente, D-Wave Systems de Canadá vendió a Lockheed-Martin la primera computadora “cuántica” del mundo: una máquina que aprovecha la magia de los fenómenos cuánticos para llevar a cabo tareas de almacenamiento y procesamiento a una velocidad increíblemente superior a la de los microprocesadores de silicio actuales. Y si bien hay quienes ponen en duda que esta máquina sea realmente una computadora cuántica, sus diseñadores han publicado artículos en diversas revistas con referato donde demuestran que los componentes básicos de esta novedosa computadora son realmente bits cuánticos superconductores.

Esta primavera [en el hemisferio Norte] se cumplió el centésimo aniversario del descubrimiento de la superconductividad: la capacidad de los materiales de transportar corrientes eléctricas sin pérdidas. Una vez que en un cable superconductor se establece una corriente, esta puede permanecer allí durante años sin que se observe ninguna reducción mensurable.

Gracias a esta propiedad, los superconductores exhiben características únicas que se pueden aprovechar de muchas maneras. Por ejemplo, pueden transportar enormes cantidades de corriente, convirtiéndose así en un material ideal para el tendido de redes urbanas de electricidad. Y enrollados en forma de bobina, pueden producir campos magnéticos extremadamente intensos.

Los electroimanes superconductores ya tienen aplicación en diversas tecnologías. Los ejemplos más notorios son los electroimanes en los que se basa el funcionamiento de los dispositivos de diagnóstico por imágenes mediante resonancia magnética, presentes en la mayoría de los hospitales. Y los más extraordinarios tal vez sean los enormes electroimanes usados como aceleradores de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones, el dispositivo con el que se busca descubrir los principios fundamentales de la materia.

Pero a pesar de las grandes expectativas que despiertan, los materiales superconductores tienen limitaciones, de las que la más importante es que, en la mayoría de los casos, para que se produzca la superconductividad es necesario enfriarlos a temperaturas muy bajas, de hecho cercanas al cero absoluto (-273 ºC). El único modo de alcanzar semejantes temperaturas es usar helio líquido como refrigerante. Eso explica el revuelo que ocasionó en 1986 un grupo de investigadores suizos al anunciar que habían descubierto la presencia de superconductividad en un óxido de cobre a una temperatura dos veces superior a la marca anterior.

No mucho después, un grupo de investigadores en los Estados Unidos encontró un material relacionado que es superconductor a temperatura superior a la de licuefacción del aire. Como anunció la revista Time en mayo de 1987, el descubrimiento de estos materiales, denominados “cupratos”, marcó el inicio de la revolución de la superconductividad.

Pero ¡ay! pronto la revolución entró en un atasco. Los cupratos son materiales muy difíciles de trabajar, por ser extremadamente frágiles. Para colmo de males, presentan una gran anisotropía, porque están formados por el apilamiento de láminas conductoras débilmente acopladas, lo que les da una estructura cuasi bidimensional. Por eso plantean grandes dificultades para el uso industrial (aunque ya comienzan a aparecer algunas aplicaciones).

Desde que los cupratos salieron a la luz, se han descubierto diversos superconductores de “alta temperatura”; hay uno que es un compuesto simple de magnesio y boro y otro que involucra una combinación de hierro y arsénico. Si bien ninguno de estos materiales es superconductor a temperaturas tan altas como la del aire líquido, puede ser que en última instancia resulten más utilizables. Dada la enorme cantidad de combinaciones de elementos que permiten formar compuestos químicos, no es improbable que haya mejores superconductores a la espera de ser descubiertos.

Se prevé que en los próximos años se encontrarán cada vez más aplicaciones tecnológicas para los superconductores. Ya se usan alambres de cuprato de “segunda generación” para producir cables de alta capacidad para la transmisión de la energía eléctrica y generadores más livianos para las turbinas eólicas. La mayor potencia de los electroimanes superconductores permite ahora crear dispositivos de resonancia magnética con capacidades de diagnóstico superiores. Se usan superconductores para la levitación de los trenes en el área del transporte ferroviario de alta velocidad, y también como filtros de microondas para mejorar el ancho de banda de las señales en las estaciones de telefonía celular. Si se descubriera un nuevo material superconductor con propiedades mejoradas, podría ser el inicio de otras innovaciones tecnológicas.

Esto nos trae a la cuestión del desafío que suponen los superconductores desde el punto de vista intelectual. Tuvieron que transcurrir 46 años entre el descubrimiento de la superconductividad y la formulación, en 1957, de la teoría de Bardeen, Cooper y Schrieffer (BCS) respecto de cómo se produce este fenómeno. Antes de esta teoría, muchos físicos de renombre buscaron una explicación del fenómeno y fracasaron en el intento; como ejemplos notables cabe señalar a Albert Einstein, Werner Heisenberg y Richard Feynman.

Para hallar la solución hubo que desarrollar técnicas teóricas avanzadas. La dificultad estaba en comprender cómo hacer para que los electrones ingresen en un estado de superconductividad. Lo que básicamente descubrió la teoría BCS fue que para lograrlo, había que enlazar los electrones en parejas.

Felizmente, el mecanismo de emparejamiento ya se conocía. Si bien los electrones tienen carga negativa (y por consiguiente se repelen mutuamente), cuando fluyen a través de un metal dejan a su paso iones que pueden mediar como una fuente de atracción eficaz entre los miembros de una pareja de electrones, siempre que se den determinadas condiciones (por ejemplo, el metal debe estar muy frío).

Pero se sospecha que en el caso de los nuevos materiales superconductores el fenómeno se produce de otro modo. Por un lado, los cupratos son superconductores a temperaturas muy superiores; por el otro, y esto es más importante, exhiben ciertas propiedades extrañas: son materiales que se crean mediante el añadido de impurezas portadoras de electricidad en un material receptor que es magnéticamente aislante (el último lugar donde uno buscaría un superconductor convencional). Y a diferencia de lo que ocurre con la teoría BCS, en la cual las parejas son isotrópicas (es decir, exhiben las mismas propiedades en todas las direcciones espaciales), en los cupratos las parejas son fuertemente anisotrópicas (similares a una hoja de trébol).

¿Cómo hacer para emparejar los electrones sin utilizar la fuerza de atracción de los iones, para así poder crear superconductores a temperaturas más altas? Si bien hay muchas ideas al respecto, es muy probable que para desarrollar el andamiaje teórico que permita resolver este problema de emparejamiento sean necesarios nuevos avances teóricos (que incluso podrían tener relación con los agujeros negros). Cualquiera sea la teoría que finalmente resulte de todo esto, es indudable que revolucionará la física.

Hide Comments Hide Comments Read Comments (1)

Please login or register to post a comment

  1. CommentedIgor Minich

    The basic discovery of BCS (electron pairing) was WRONG!

    Basic in any superconductor (HTSC or coventional) or any superfluid (He, for example) is SPECIAL quasiparticle spectrum (momentum vs energy).

Featured