¿Qué es el fenómeno de la superconductividad? La superconductividad es un fenómeno con resistencia eléctrica cero y la liberación de campos de flujo magnético que ocurren en ciertos materiales, llamados superconductores, cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica característica.
El fenómeno fue descubierto por el físico holandés Heike Kamerling-Onnes el 8 de abril de 1911 en Leiden. Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno mecánico cuántico. Se caracteriza por el efecto Meissner: una eyección completa de líneas de campo magnético desde el interior del superconductor durante su transición al estado superconductor.
Esta es la esencia del fenómeno de la superconductividad. La aparición del efecto Meissner indica que la superconductividad no puede entenderse simplemente como una idealización de la conductividad ideal en la física clásica.
¿Qué es el fenómeno de la superconductividad?
La resistencia eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida quebajando la temperatura. En conductores comunes como el cobre o la plata, esta reducción está limitada por impurezas y otros defectos. Incluso cerca del cero absoluto, una muestra real de un conductor normal muestra cierta resistencia. En un superconductor, la resistencia cae bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica. La corriente eléctrica a través de un bucle de alambre superconductor se puede mantener indefinidamente sin una fuente de energía. Esta es la respuesta a la pregunta, ¿cuál es el fenómeno de la superconductividad?
Historia
En 1911, mientras estudiaba las propiedades de la materia a temperaturas muy bajas, el físico holandés Heike Kamerling Onnes y su equipo descubrieron que la resistencia eléctrica del mercurio cae a cero por debajo de 4,2 K (-269 °C). Esta fue la primera observación del fenómeno de la superconductividad. La mayoría de los elementos químicos se vuelven superconductores a temperaturas suficientemente bajas.
Por debajo de cierta temperatura crítica, los materiales pasan a un estado superconductor, caracterizado por dos propiedades principales: primero, no resisten el paso de la corriente eléctrica. Cuando la resistencia cae a cero, la corriente puede circular dentro del material sin disipación de energía.
En segundo lugar, siempre que sean lo suficientemente débiles, los campos magnéticos externos no penetran en el superconductor, sino que permanecen en su superficie. Este fenómeno de expulsión de campo se conoció como efecto Meissner después de que un físico lo observara por primera vez en 1933.
Tres nombres, tres letras y una teoría incompleta
La física ordinaria no proporcionaexplicaciones del estado superconductor, así como la teoría cuántica elemental del estado sólido, que considera el comportamiento de los electrones por separado del comportamiento de los iones en una red cristalina.
Solo en 1957, tres investigadores estadounidenses, John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer, crearon la teoría microscópica de la superconductividad. De acuerdo con su teoría BCS, los electrones se agrupan en pares a través de la interacción con las vibraciones de la red (los llamados "fonones"), formando así pares de Cooper que se mueven sin fricción dentro de un sólido. Un sólido puede verse como una red de iones positivos inmersos en una nube de electrones. Cuando un electrón atraviesa esta red, los iones se mueven ligeramente, atraídos por la carga negativa del electrón. Este movimiento genera una región eléctricamente positiva, que a su vez atrae a otro electrón.
La energía de la interacción electrónica es bastante débil y los vapores pueden romperse fácilmente con la energía térmica, por lo que la superconductividad suele producirse a temperaturas muy bajas. Sin embargo, la teoría BCS no proporciona una explicación de la existencia de superconductores de alta temperatura a alrededor de 80 K (-193 °C) y más, para los cuales deben estar involucrados otros mecanismos de unión de electrones. La aplicación del fenómeno de la superconductividad se basa en el proceso anterior.
Temperatura
En 1986, se descubrió que algunos materiales cerámicos de cuprato-perovskita tenían temperaturas críticas superiores a 90 K (-183 °C). Esta alta temperatura de unión es teóricamenteimposible para un superconductor convencional, lo que lleva a que los materiales se denominen superconductores de alta temperatura. El nitrógeno líquido refrigerante disponible hierve a 77 K y, por lo tanto, la superconductividad a temperaturas superiores a estas facilita muchos experimentos y aplicaciones que son menos prácticos a temperaturas más bajas. Esta es la respuesta a la pregunta a qué temperatura ocurre el fenómeno de la superconductividad.
Clasificación
Los superconductores se pueden clasificar según varios criterios que dependen de nuestro interés en sus propiedades físicas, del conocimiento que tengamos sobre ellos, de lo caro que sea enfriarlos o del material del que están hechos.
Por sus propiedades magnéticas
Superconductores de tipo I: aquellos que tienen un solo campo crítico, Hc, y pasan abruptamente de un estado a otro cuando se alcanza.
Superconductores tipo II: que tienen dos campos críticos, Hc1 y Hc2, siendo superconductores perfectos por debajo del campo crítico inferior (Hc1) y dejando completamente el estado superconductor por encima del campo crítico superior (Hc2), estando en un estado mixto entre los campos críticos.
Como los entendemos sobre ellos
Superconductores ordinarios: aquellos que pueden ser completamente explicados por la teoría BCS o teorías relacionadas.
Superconductores no convencionales: aquellos que no pueden ser explicados usando tales teorías, por ejemplo: fermiónicos pesadossuperconductores.
Este criterio es importante porque la teoría BCS ha estado explicando las propiedades de los superconductores convencionales desde 1957, pero por otro lado, no ha habido una teoría satisfactoria para explicar los superconductores completamente no convencionales. En la mayoría de los casos, los superconductores de tipo I son comunes, pero hay algunas excepciones, como el niobio, que es común y de tipo II.
Por su temperatura crítica
Superconductores de baja temperatura, o LTS: aquellos cuya temperatura crítica es inferior a 30 K.
Superconductores de alta temperatura, o HTS: aquellos cuya temperatura crítica está por encima de los 30 K. Algunos ahora usan 77 K como separación para enfatizar si podemos enfriar la muestra con nitrógeno líquido (cuyo punto de ebullición es de 77 K), que es mucho más factible que el helio líquido (una alternativa para alcanzar las temperaturas necesarias para producir superconductores de baja temperatura).
Otros detalles
Un superconductor puede ser de tipo I, lo que significa que tiene un solo campo crítico, por encima del cual se pierde toda la superconductividad, y por debajo del cual el campo magnético se elimina por completo del superconductor. Tipo II, es decir, tiene dos campos críticos entre los que permite la penetración parcial del campo magnético a través de puntos aislados. Estos puntos se llaman vórtices. Además, en superconductores multicomponente, es posible una combinación de dos comportamientos. En este caso, el superconductor es de tipo 1, 5.
Propiedades
La mayoría de las propiedades físicas de los superconductores varían de un material a otro, como la capacidad calorífica y la temperatura crítica, el campo crítico y la densidad de corriente crítica en la que se rompe la superconductividad.
Por otro lado, existe una clase de propiedades que son independientes del material base. Por ejemplo, todos los superconductores tienen una resistividad absolutamente nula con corrientes aplicadas bajas, cuando no hay campo magnético o cuando el campo aplicado no supera un valor crítico.
La presencia de estas propiedades universales implica que la superconductividad es una fase termodinámica y, por lo tanto, tiene ciertas propiedades distintivas que son en gran medida independientes de los detalles microscópicos.
La situación es diferente en el superconductor. En un superconductor convencional, el líquido de electrones no se puede separar en electrones individuales. En cambio, consiste en pares de electrones unidos conocidos como pares de Cooper. Este emparejamiento es causado por la fuerza de atracción entre electrones resultante del intercambio de fonones. Debido a la mecánica cuántica, el espectro de energía de este líquido del par de Cooper tiene una brecha de energía, es decir, hay una cantidad mínima de energía ΔE que se debe suministrar para excitar el líquido.
Por lo tanto, si ΔE es mayor que la energía térmica de la rejilla dada por kT, donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura, la rejilla no dispersará el líquido. Asi quePor lo tanto, el líquido de vapor de Cooper es superfluido, lo que significa que puede fluir sin disipar energía.
Características de superconductividad
En los materiales superconductores, las características de superconductividad aparecen cuando la temperatura T cae por debajo de la temperatura crítica Tc. El valor de esta temperatura crítica varía de un material a otro. Los superconductores convencionales suelen tener temperaturas críticas que oscilan entre unos 20 K y menos de 1 K.
Por ejemplo, el mercurio sólido tiene una temperatura crítica de 4,2 K. A partir de 2015, la temperatura crítica más alta encontrada para un superconductor convencional es de 203 K para H2S, aunque se requería una alta presión de alrededor de 90 gigapascales. Los superconductores de cuprato pueden tener temperaturas críticas mucho más altas: YBa2Cu3O7, uno de los primeros superconductores de cuprato descubiertos, tiene una temperatura crítica de 92 K, y se han encontrado cupratos a base de mercurio con temperaturas críticas superiores a 130 K. La explicación de estas altas temperaturas críticas sigue siendo desconocido.
El emparejamiento de electrones debido a los intercambios de fonones explica la superconductividad en los superconductores convencionales, pero no explica la superconductividad en los superconductores más nuevos que tienen una temperatura crítica muy alta.
Campos magnéticos
Del mismo modo, a una temperatura fija por debajo de la temperatura crítica, los materiales superconductores dejan de ser superconductores cuando se aplica un campo magnético externo mayor quecampo magnético crítico. Esto se debe a que la energía libre de Gibbs de la fase superconductora aumenta cuadráticamente con el campo magnético, mientras que la energía libre de la fase normal es aproximadamente independiente del campo magnético.
Si el material es superconductor en ausencia de un campo, entonces la energía libre de la fase superconductora es menor que la de la fase normal y, por lo tanto, para un valor finito del campo magnético (proporcional al cuadrado raíz de la diferencia de energías libres en cero), las dos energías libres serán iguales y habrá una transición de fase a la fase normal. De manera más general, una temperatura más alta y un campo magnético más fuerte dan como resultado una proporción más pequeña de electrones superconductores y, por lo tanto, una mayor profundidad de penetración en Londres de corrientes y campos magnéticos externos. La profundidad de penetración se vuelve infinita en la transición de fase.
Físico
El inicio de la superconductividad va acompañado de cambios abruptos en varias propiedades físicas, que es el sello distintivo de una transición de fase. Por ejemplo, la capacidad calorífica de los electrones es proporcional a la temperatura en el régimen normal (no superconductor). En la transición superconductora, experimenta un s alto y luego deja de ser lineal. A bajas temperaturas, cambia en lugar de e−α/T por alguna constante α. Este comportamiento exponencial es una de las pruebas de la existencia de una brecha de energía.
Transición de fase
La explicación del fenómeno de la superconductividad es bastanteobviamente. El orden de la transición de fase superconductora se ha discutido durante mucho tiempo. Los experimentos muestran que no hay transición de segundo orden, es decir, calor latente. Sin embargo, en presencia de un campo magnético externo, hay calor latente porque la fase superconductora tiene una entropía más baja, más baja que la temperatura crítica, que la fase normal.
Experimentalmente demostró lo siguiente: cuando el campo magnético aumenta y va más allá del campo crítico, la transición de fase resultante conduce a una disminución en la temperatura del material superconductor. El fenómeno de la superconductividad se ha descrito brevemente anteriormente, ahora es el momento de decirle algo sobre los matices de este importante efecto.
Los cálculos realizados en la década de 1970 mostraron que, de hecho, podría ser más débil que el primer orden debido a la influencia de las fluctuaciones de largo alcance en el campo electromagnético. En la década de 1980, se demostró teóricamente usando la teoría del campo desordenado, en la que las líneas de vórtice superconductor juegan un papel importante, que la transición es de segundo orden en el modo tipo II y de primer orden (es decir, calor latente) en el modo tipo I, y que las dos regiones están separadas por un punto tricrítico.
Los resultados fueron fuertemente confirmados por simulaciones por computadora en Monte Carlo. Esto jugó un papel importante en el estudio del fenómeno de la superconductividad. El trabajo continúa en la actualidad. La esencia del fenómeno de la superconductividad no se comprende ni explica completamente desde el punto de vista de la ciencia moderna.
