SUPERCONDUCTIVIDAD
por David Sánchez
HIELO

Primero, un poco de historia. El señor Kammerlingh Onnes (holandés al que no le conozco mas méritos científicos que el de desarrollar buenísimos métodos de enfriamiento) observo a principios de siglo que si bajaba la temperatura del mercurio a unos 4 K, su resistencia a la corriente eléctrica desaparecía de forma brusca. No es que la resistencia tomase un valor pequeño, sino que se media cero patatero. El fenómeno responsable de la resistencia en un metal a temperatura cero es la dispersión de los electrones (que pueden suponerse libres) por impurezas en la muestra. Si conseguimos, pues, un metal muy puro, obtendremos resistencia cero.

De ahí que se pensara en principio que un superconductor era un conductor perfecto y se le puso ese nombre. A los físicos de la época les dio, entonces, por aplicar las ecuaciones de Maxwell, que rigen todo el electromagnetismo clásico, a un conductor perfecto y dedujeron que una muestra super debería excluir un campo magnético dependiendo de si estaba ese campo antes o despues de enfriarse el metal. Pero Meissner demostró experimentalmente que esto era falso, que independientemente de si la muestra se enfriaba en presencia o ausencia de campo magnético, este se desviaba del interior del super. Por lo tanto, se llego a la conclusión de que un super no era un conductor perfecto, sino que era una fase distinta de la materia. Se hicieron muchas tentativas para dar una teoría coherente de la superconductividad, pero resulto que era una manifestación microscópica de principios cuánticos y por eso la gente andaba tan perdida. De todos modos, se puede entender el efecto Meissner de forma fenomenológica (pero no rigurosa) si consideramos que el super es un material diamagnético perfecto, resultando que debe existir una corriente superficial de magnetización. Otra forma alternativa, aunque equivalente, supone que las corrientes superficiales en realidad son transportadoras de carga, y se llega a los mismos resultados físicos.

Sin embargo, ambas aproximaciones toman al super como conductor perfecto y esto no es cierto.

London refinó estos métodos, ya suponiendo que el super era una fase distinta, y explico de forma semiclásica el efecto Meissner, pero tuvo que postular una ecuación que no entraba dentro de las de Maxwell. El caso es que su teoría predice que el campo magnético en realidad se introduce un poco en el super, una distancia que puede ser medida en laminas super muy, muy delgadas. No obstante, seguía sin existir una explicación microscópica del fenómeno. A principios de los años 50 Frolich dio una pista muy buena, estudiando como era la interacción entre los electrones y unas vibraciones que se producen en los iones de cualquier red, llamadas fonones. Esto sirvió, en parte, para que Bardeen, Cooper y Schrieffer publicaran su Teoría de la Superconductividad (teoría BCS), años mas tarde, en la que se da una explicación cuántica de lo que esta pasando en un super. (Por cierto, a BCS les dieron el Nobel, pero no al pobre Frolich, que se lo merecía tanto como ellos; la explicación que dieron los suecos fue la misma que la que han dado al Nobel de Medicina de este año, que no se puede dar el premio a mas de tres personas el mismo año).

La suposición básica (y correcta) de la teoría es que en el estado super los electrones forman un estado apareado (los pares de Cooper) de igual momento y espines opuestos. Pero un estado apareado entre dos cuerpos (como el sistema Tierra-Luna) presupone una fuerza de atracción entre ellos, y los electrones se repelen. La explicación fenomenologica es que el movimiento de un electrón por la red provoca una distorsión en ella, que atrae a otro electrón de forma efectiva. Esto solo le ocurre a unos pocos electrones por debajo de la temperatura de transición, pero los suficientes para que el material se haga super. La teoría explicaba perfectamente todos los fenómenos, incluido lo extraño que es que un super sea tan estable y sea tan difícil romper su orden: resulta que en el espectro de energías de un super hay un gap de energías, una zona prohibida, por eso es tan difícil provocar excitaciones y romper el estado super. Pero, claro, la teoría tiene su rango de validez, y se restringe a los super de tipo I, los clásicos (mercurio y cía). Se descubrieron unos super distintos, de tipo II, pero solo diferentes a los del tipo I en el efecto Meissner.

A un super del tipo I nos lo podemos cargar aplicando un campo muy fuerte. Por encima de un valor critico, la superconductividad desaparece bruscamente. En un super del tipo II, no pasa eso, la desaparición es mas continua, con varios campos criticos. Entre dos de ellos, la muestra de super del tipo II comienza a generar vórtices o zonas donde el material se comporta de manera normal, o sea, es un metal. Por ahí empieza a colarse el campo hasta que finalmente, si aumentamos mucho el campo, los vórtices ocupan todo el super, haciéndose metal. El mecanismo, ya digo, de los super del tipo II es igual a los del tipo I. La explicación de por que generan vortices tiene que ver con la termodinámica (minimización de la energía libre y esas cosas), dada por Landau (¡cuanto le admiro!) y Ginzburg.

A propósito, resulta que un anillo super en el seno de un campo cuantiza el flujo que pasa a través de el, esto es, solo puede tomar valores discretos de una cantidad. Esto también esta explicado por la teoría BCS y se propuso que se utilizara un anillo super para conocer si existen monopolos magnéticos o no. Hasta ahora, solo se ha conocido una evidencia experimental al respecto, debida al español Cabrera. Nadie duda de que es posible que Cabrera viera el monopolo (por su prestigio y porque trabajaba en los USA), pero, claro, si no puedes reproducir un experimento en ciencia, pues ya se sabe...

Hay otros fenómenos interesantes con respecto a los super, como por ejemplo el efecto Josephson. En una unión entre dos super, debido al efecto túnel de los pares, es posible tener corriente eléctrica SIN voltaje aplicado. Una explicación muy intuitiva de esto la dio Feynman (¡cuanto admiro también a este!), y tiene que ver con que las funciones de onda de los dos super tienen fase global distinta. Es de las pocas veces en cuántica que las fases globales juegan un papel importante.

Y llegamos al año 86. Hasta entonces, las temperaturas super no pasaban de unos 10 K, pero, ¡Voila! se descubrió un compuesto (el YBaCuO) que tenia unos 90 K de temperatura de transición. Imaginaros a muchos físicos hasta la actualidad como buscan desesperadamente temperaturas mas altas, y como han estudiado hasta la saciedad estos super de alta temperatura. No voy a hablar mucho de ellos porque no conozco demasiado el tema, solo que parece ser que la estructura cristalina de estos materiales (en forma de perovskita) es fundamental para entender todo. Se habla de que esta estructura forma superautopistas para los electrones que circulan por ahí sin resistencia. Y ya acabo, que el coñazo que estoy dando es im-presionante.

Solo una pregunta: ¿en que obras de cf los super han aparecido como parte importante en la trama? Yo solo conozco un relato de Clarke en el que en un planeta que esta a muy bajas temperaturas se forma vida cibernética de extraordinaria inteligencia a base precisamente de superconductores (¿título del cuento? ¿del libro?). La especulación de Clarke no esta mal, pero no tiene mucho rigor, ya que en todo circuito debe haber, aparte de componentes super, componentes metálicos. Ahora bien, debido a otro efecto de los super, el efecto Andreev, las uniones entre super y metal pueden crearse sin resistencia.

Espero no haberos cansado mucho. Un super saludo,

© David Sánchez, (1.299 palabras) , Créditos