Superconductividad, la materia cuántica a escalas diminutas

La superconductividad, fenómeno descubierto en el siglo XX, sigue siendo un campo activo de estudio, tanto en la física fundamental como en el área de la ciencia de materiales por sus potenciales usos en el desarrollo de nuevos materiales cuánticos.

Superconductividad, la materia cuántica a escalas diminutas
Gracias al efecto Meissner, los superconductores pueden hacer levitar materiales ferromagnéticos.

Corría el año 1911, y el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes y su equipo de asistentes investigaban en la Universidad de Leiden la resistividad eléctrica del mercurio a bajas temperaturas. Buscaban entender qué les pasaba a los metales cerca del cero absoluto ¿Se volvían mejores conductores a medida que bajaba la temperatura, o los electrones se “paralizaban” y el material se volvía un aislante eléctrico? No se sabía en esa época. Previamente, gracias a sus recientemente desarrolladas técnicas de enfriamiento, Kamerlingh Onnes había logrado licuar el gas helio en 1908, un hito en la historia de la Física que inauguró un área de investigación completamente novedosa: la Física de Bajas Temperaturas (por ese logro, posteriormente recibiría el premio Nobel de Física en 1913). En sus experimentos con mercurio, Kamerlingh Onnes se encontró con un fenómeno sorprendente: el mercurio parecía perder súbitamente toda su resistencia eléctrica al llegar a la temperatura de 4.2 K (es decir, 269° C bajo cero). Esto resultaba incomprensible ya que los modelos y teorías de la materia hasta ese momento sólo predecían cambios suaves en la resistividad de los metales. Por supuesto, se realizaron pruebas y testeos para descartar posibles fallas en los circuitos eléctricos de medición, algo que llevó meses de intenso trabajo. Finalmente, el experimento se repitió con un diseño mejorado en octubre de 1911. El resultado fue idéntico: el mercurio se transformaba en un conductor perfecto con resistividad cero (dentro de los límites de detección experimentales) a la temperatura de 4.2 K. Se había descubierto la superconductividad, un fenómeno crucial en la historia de la Física de la Materia Condensada.

Los superconductores son materiales “comunes” a temperatura ambiente. Algunos son metales conocidos, como el aluminio, el plomo, el estaño, o el mencionado mercurio. Otros son aleaciones cerámicas a base de cobre y oxígeno, con conductividad eléctrica muy pobre a temperatura ambiente (los llamados “cupratos”) y recientemente se han descubierto aleaciones a base de hierro (los “pctínidos”). Pero por debajo de una temperatura denominada “temperatura crítica” que depende de cada material en particular, ocurre un cambio drástico en el comportamiento de los electrones, y estos comienzan a fluir sin que ocurra ningún tipo de disipación de energía, es decir sin resistencia eléctrica. Pero las sorpresas no terminan ahí. En 1933, los físicos Walter Meissner y Robert Ochsenfeld descubrieron otro efecto espectacular en los superconductores: son capaces de expulsar completamente a los campos magnéticos que atraviesan el material, algo que se conoce hoy en día como el “efecto Meissner-Ochsenfeld”. Gracias a este efecto los superconductores son capaces, entre otras cosas, de levitar en presencia de campos magnéticos, o de hacer levitar materiales ferromagnéticos.

Pero ¿por qué se produce la superconductividad? Esta pregunta apasionó (y atormentó) a los físicos por varias décadas, sin obtenerse una explicación microscópica satisfactoria. Hoy en día sabemos que la superconductividad es un fenómeno intrínsecamente cuántico, y que no tiene explicación dentro de las leyes clásicas de la Física. Por esa razón, fue recién en el año 1957, cuando la teoría cuántica había alcanzado suficiente madurez, que los físicos John Bardeen, León Cooper y Robert Schrieffer en la Universidad de Urbana-Champaign, en Illinois, EEUU, lograron explicar teóricamente el fenómeno de la superconductividad (la hoy llamada “teoría BCS” en honor a ellos), y por este logro recibieron el Premio Nobel de Física en 1972. Hoy en día, la superconductividad y otros fenómenos asociados, tales como la superfluidez y la condensación de Bose-Einstein, son considerados uno de los capítulos más importantes y bellos de la Física del siglo XX, donde es posible ver el comportamiento cuántico de la materia a escalas macroscópicas.

Esencialmente, en un metal “común” a temperatura ambiente (en la jerga científica, un metal “normal”) los electrones se comportan de manera individual, y viajan por el material de manera errática y desordenada. Cada tanto “chocan” contra impurezas e imperfecciones del material, lo que produce un frenado y la consecuente pérdida de parte de su energía cinética, que se transfiere a la red de iones transformándose eventualmente en calor. En estas condiciones, decimos que el material se encuentra en un estado de resistencia finita. Esto es lo usual en nuestra vida cotidiana: al cabo de un tiempo de encendidos, una lamparita, la CPU de una computadora, o un electrodoméstico cualquiera, inevitablemente se calientan. Digamos que esa es la norma en los materiales usuales: siempre hay algo de energía eléctrica que se pierde en forma de calor. Ahora bien, la explicación que encontraron Bardeen, Cooper y Schrieffer para la superconductividad es que cuando el material se enfría y se alcanza la temperatura crítica, los electrones en lugar de repelerse comienzan… ¡a atraerse! Es esa atracción lo que produce que los electrones comiencen a comportarse de manera colectiva y coherente, formando un estado cuántico macroscópico inmune a la presencia de impurezas, y por ende capaz de fluir por el material sin disipar energía. La atracción entre electrones es en realidad, una atracción “efectiva”, producto del hecho que en realidad no están solos, sino que interactúan con los iones de la red del material. Para entender mejor esto podemos pensar en dos bolas de “bowling” rodando sobre un colchón blando: si bien por sí solas las bolas de bowling no se atraen, debido a la interacción con los resortes del colchón veremos que luego de moverse un rato sobre éste, terminan “pegándose” dado que esa es la configuración que minimiza la energía de los resortes del colchón. Los electrones se comportan de manera similar: el paso de un electrón a través de la red de iones “deforma” esa red, y es esa deformación lo que “atrae” a un segundo electrón.

Hasta mediados de la década del ’80 se pensaba que la superconductividad era un fenómeno un tanto exótico que sólo podía producirse a temperaturas cercanas al cero absoluto, lo cual limitaba enormemente su campo de aplicación. Sin embargo, en 1986 se produjo otro hito histórico: los físicos Alex Müller y George Bednorz, trabajando para la empresa IBM en Zürich, descubrieron lo que hoy conocemos como superconductores de alta temperatura crítica, compuestos cerámicos a base de cobre y oxígeno, que tienen una temperatura crítica de aproximadamente 138 K (-135 C) o superior, pudiendo utilizarse técnicas de enfriamiento a base de nitrógeno líquido, comercialmente mucho más barato y accesible que el helio líquido. Por este descubrimiento, Müller y Bednorz recibieron el premio Nobel de Física 1987, y a partir de allí comenzó una carrera frenética por encontrar materiales superconductores con temperaturas críticas cada vez más altas. Actualmente, el objetivo (obvio) es encontrar un material superconductor a temperatura ambiente, lo que significaría que podríamos transportar energía eléctrica sin disipación y sin necesidad de enfriar el material. Al momento de escribir esta nota, el récord lo tiene el material hidruro de lantano (LaH10). En 2019 se descubrió que en condiciones extremas de presión (170 giga pascales, es decir 1,7 millones de veces la presión atmosférica), este compuesto se vuelve superconductor a la temperatura de 250 K, es decir a unos -20° C, aproximadamente. Las altísimas presiones requeridas imposibilitan el uso práctico de este material, por lo que la búsqueda de un material superconductor a temperatura ambiente sigue abierta hoy en día y es uno de los temas más activos de investigación en la física de materiales en la mayoría de los principales centros de investigación del mundo.

A pesar de todavía requerir enfriamiento, los superconductores han encontrado su nicho en importantes aplicaciones tecnológicas. Dado que un cable hecho de un material superconductor puede transportar sin ningún tipo de disipación una cantidad de corriente mucho mayor que un cable de cobre (el récord hoy en día lo tienen los cables del material YBCO con una densidad de corriente de 109 A/m2, es decir unas 10 a 100 veces más alta que el cobre), los cables superconductores se utilizan cada vez que es necesario generar campos magnéticos muy altos. Por ejemplo, en grandes aceleradores de partículas, como en el experimento del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), en Suiza, donde es necesario confinar y deflectar el haz de protones con altos campos magnéticos. O también en los tomógrafos de resonancia magnética (como los que existen en la Fuesmen acá en Mendoza). Por otra parte, gracias al efecto Meissner-Ochsenfeld mencionado anteriormente, los superconductores permiten la levitación magnética, lo que tiene potenciales aplicaciones en la fabricación de trenes tipo “maglev” (en inglés magnetic levitation) que pueden levitar.

*El autor es Investigador independiente Conicet. Profesor adjunto Fac. Ciencias Exactas UNCuyo.

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