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DINÁMICA DE LOS SUPERCONDUCTORES Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Daniela Angulo Páez Cód. 244443 Mayo de 2010 RESUMEN Los materiales aun siendo buenos conductores ofrecen cierta resistencia al movimiento de portadores. Es necesario aplicar un campo que aporte la energía necesaria para producir y mantener la corriente eléctrica. La superconductividad es un estado en el que algunos materiales, en ciertas condiciones de temperatura, campos magnéticos e intensidad de corriente eléctrica, tienen resistencia eléctrica nula y excluyen totalmente el campo magnético, es decir, son diamagnéticos perfectos. Un grupo de ellos (tipo II), excluyendo parcialmente el campo magnético de su interior en estado superconductor. En ellos, el campo magnético puede penetrar a través de vórtices formados por pares de electrones superconductores, que atrapan un cuanto de flujo magnético. Una técnica macroscópica por excelencia para estudiar el estado superconductor se basa en el efecto túnel. Toda información relevante sobre las interacciones elementales que dan lugar al condensado superconductor, así como los aspectos termodinámicos del estado normal, se obtienen mediante esta herramienta En 1911, Heike Kamerlingh Onnes descubrió un fenómeno al cual denomino “superconductividad”. Creía que correspondía a la formación de un conductor perfecto, es decir, un material que oponía una nula resistencia al paso de la electricidad. Onnes observó que la resistencia eléctrica del mercurio desaparecía al ser enfriado a temperaturas del helio líquido. La superconductividad se manifiesta a temperaturas muy bajas por que las interacciones subyacentes son de energías muy pequeñas. Este lumbral de transición al estado conductor se le denomina temperatura crítica, Tc.1 Animado por su descubrimiento, Onnes prosiguió con el estudio de otros elementos de la tabla periódica. Para su sorpresa, encontró metales que se tornaban superconductores al ser enfriados. Hoy sabemos que el fenómeno de la superconductividad es más común de lo que Onnes pensó. La plata, el oro y el cobre, buenos conductores, son superconductores sólo a temperaturas extraordinariamente bajas, del orden de 400 a 500 microkelvin. En cambio el plomo, el estaño, el indio y otros materiales se vuelven superconductores a temperaturas superiores.2 nombre de estado Meissner*, en honor a su descubridor. Desarrollan de manera estricta ese comportamiento los superconductores de tipo I. Figura 1. Superconductor a baja temperatura En principio, la superconductividad es una transición de fase. Por calentamiento suficiente del material, por aplicación de un campo magnético externo de intensidad adecuada o por el paso de una densidad de corriente eléctrica mayor que determinado valor, el superconductor transita al estado normal, donde conduce con resistencia. Hoy, el número de aleaciones, compuestos y elementos que tienen propiedades superconductoras es enorme. Diríase que ahora la pregunta correcta sería inquirir por qué un material no superconduce. La superconductividad es un efecto más extendido de lo que en principio pudiera pensarse. El estado superconductor no consiste sólo en la resistencia nula. La respuesta de un superconductor a los campos magnéticos externos se desvía de lo habitual. Un campo magnético externo aplicado a un material en estado ordinario penetra completa y uniformemente en él; no ocurre así en estado superconductor figura 2. La aplicación de un campo magnético externo produce uno de estos dos efectos: o bien el campo tiene intensidad suficiente para promover la transición de fase, destruir la superconductividad y penetrar en el material, o bien el superconductor se protege del campo aplicado y automáticamente aparecen corrientes superconductoras internas que apantallan el campo externo y le impiden entrar en el material. Esta segunda situación recibe el Figura 2. Comportamiento magnético de un material en su Tc (superconductor) y a temperatura ambiente En cambio, en los superconductores de tipo II se da una situación nueva, intermedia entre el estado Meissner y el normal. Se trata del estado mixto, también llamado de vórtices o de Abrikosov† figura 3. Los superconductores de tipo II abundan en la naturaleza. Todas las aleaciones y compuestos, así como los elementos niobio (Nb) y vanadio (V), son de tipo II. Figura 3. Estructura de un vórtice superconductor Cuando el campo magnético aplicado tiene un valor intermedio entre los valores para los * Físico alemán. En 1933 descubrió el efecto Meissner, la desaparición de todo campo magnético en el interior de un superconductor † Físico Ruso teórico. Contribuyo principalmente en el campo de la física condensada de la materia. Le concedieron Premio Nobel de la física en 2003. que se produce la expulsión completa del campo magnético del interior del superconductor y los valores donde el material transita al estado normal, el superconductor de tipo II se encuentra en un estado mixto; en él coexisten zonas en estado superconductor y zonas en estado normal. La secuencia sería la siguiente: al principio, el campo magnético no penetra en el superconductor (estado Meissner). A continuación, se alcanza el estado mixto: para un valor llamado campo magnético crítico inferior, empieza a penetrar en algunas zonas del material, mientras otras permanecen superconductoras (libres, por tanto, de líneas de campo magnético). Por último, cuando el campo magnético alcanza un valor conocido como campo crítico superior, el material deja de ser superconductor y pasa al estado normal Figura 4. Las zonas no superconductoras del estado mixto donde penetra el campo magnético aplicado están delimitadas por vórtices. Estas corrientes de electrones superconductores giran alrededor de tubos de líneas de campo magnético. En el núcleo del vórtice, los electrones se encuentran en estado normal. Su diámetro es del orden del parámetro superconductor denominado longitud coherente, que depende del material de que se trate y se halla directamente ligado a las fluctuaciones de la densidad de electrones superconductores en el material. El vórtice de supercorrientes apantalla al núcleo y las líneas del campo magnético que lo atraviesan, de forma que fuera de él no se siente su efecto destructor de la superconductividad. Abrikosov explicó este comportamiento de una manera muy clara: en virtud de la relación entre dos longitudes típicas superconductoras (la longitud coherente y la longitud de penetración), el material será o un superconductor de tipo I, sin estado mixto, o de tipo II, con estado mixto. Adviértase que la longitud de penetración es algo mayor que el “ojo” del vórtice; fuera de ella, el campo no tarda en anularse.3 Figura 4. Diagrama de fases que representa el comportamiento de un material superconductor pata distintos valores de campo magnético (H) Una técnica macroscópica por excelencia para estudiar el estado superconductor se basa en el efecto túnel figura 5. Toda información relevante sobre las interacciones elementales que dan lugar al condensado superconductor, así como los aspectos termodinámicos del estado normal, se obtienen mediante esta herramienta.2 El efecto túnel es un proceso que existe en la naturaleza. Reviste una importancia fundamental para entender el mundo microscópico. Merced al mismo, las partículas macroscópicas se adentran en una barrera y la traviesan, sin pasar por posiciones intermedias. Se trata de un fenómeno puramente cuántico, sin analogías en la física clásica. En él fundan numerosas aplicaciones técnicas. Figura 5. Efecto túnel El efecto túnel guarda relación con los procesos en los que intervienen electrones, otras partículas y átomos. Se describe mediante la dualidad onda-partícula característica de los sistemas cuánticos. Desde el punto de vista histórico, el fenómeno apareció por primera vez en la física contemporánea cuando Niels Bohr se propuso explicar el comportamiento de los átomos. En su teoría del átomo de hidrogeno, Bohr recurrió el efecto túnel para dar cuenta de los espectros de absorción y emisión de energía. Para su modelo atómico se inspiró en un sistema planetario. En el átomo de Bohr, los electrones giran alrededor del núcleo, las fuerzas que los mantienen unidos son de origen eléctrico. Los electrones permanecen en regiones u órbitas bien definidas, que se caracterizan por ciertos “números cuánticos”. (No se hallan en ninguna otra región fuera de las posiciones determinadas por esos números). Para justificar las emisiones y absorciones de energía, Bohr postuló transiciones de electrones entre órbitas; una solución elegante y genial, aunque absurda desde el punto de vista de la física newtoniana o clásica. Según Bohr, cuando el átomo absorbe o emite energía, los electrones saltan de una órbita a otra, de menor a mayor energía o viceversa. El excedente energético se absorbe o emite por medio de fotones‡. En otras palabras los electrones desaparecen de una órbita y aparecen en otra. No transitan ni viajan; simplemente, desaparecen y aparecen. Lo más extraordinario de la concepción d Bohr fue que explicaba el comportamiento de los átomos con una precisión extraordinaria. A este fenómeno se le conoce hoy como efecto túnel. El fenómeno de la superconductividad ya forma parte integrante de nuestras vidas. La ‡ Partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético). resonancia magnética nuclear no habría podido desarrollarse sin su ayuda y constituye un auxiliar indispensable en la investigación científica y tecnológica. El que consiga o no convertirse en un producto de gran consumo depende exclusivamente de los resultados de la investigación sobre superconductores a temperatura ambiente. En cualquier caso, es evidente que estos materiales supondrán en un futuro inmediato un elemento sumamente importante en nuestra civilización: la era de las tecnologías más allá de la resistencia eléctrica parece encontrarse, en estos momentos, a la vuelta de la esquina. “Es necesario señalar que, si existe una diferencia entre lo que es un superconductor y un conductor perfecto, se puede decir que, los únicos conductores perfectos que se han encontrado hasta ahora en la naturaleza son, precisamente, los superconductores.” BIBLIOGRAFÍA 1. El diboruro de magnesio, superconductor a alta temperatura., PAUL, C, C., SERGEY, L, B., Revista Investigación y Ciencia Vol. 345., Junio, 2003 2. Efecto túnel en superconductores., ESCUDERO, R., Revista Investigación y Ciencia Vol. 368., Mayo, 2007 3. Vórtices en superconductores., GONZÁLEZ, M, P., VILLEGAS, J., GONZÁLEZ, M, E., VICENT, J, L., Revista Investigación y Ciencia Vol. 369., Junio, 2007 4. Ver con superconductores., IRWIN, K, D., Revista Investigación y Ciencia Vol. 364., Enero, 2007 5. Claves de la superconductividad a altas temperaturas., COLLINS, G, P., Revista Investigación y Ciencia Vol. 397., Octubre, 2009 6. Fusión de una red bidimensional de vórtices superconductores., SUDEROW, H., VIEIRA, S., Revista Investigación y Ciencia Vol. 404., Mayo, 2010 7. Superconductores. ¿Qué hacer con los defectos?., PHILIP, Y., Revista Investigación y Ciencia Vol. 211., Abril, 1994