¿Qué es la superconductividad?

Considere su automóvil: en promedio, solo el 12.6 por ciento de la energía química que bombea a más de $ 3.50 (o lo que pague) por galón se traduce en movimiento. El resto se destina a superar la resistencia, la inercia y otras ineficiencias mecánicas, con un enorme 62,4 por ciento consumido por la fricción del motor, las bombas de aire y el calor residual [fuente: Comisión de Energía de California ].

El calor surge en todo tipo de sistemas. Como un desfalcador de energía, roba la parte superior de las reacciones químicas, los sistemas físicos y los circuitos eléctricos . Ya sea que sea la consecuencia de la pérdida de eficiencia o su causa, el resultado es que está perdiendo en el trato. El calor es la razón por la que no podemos lograr un movimiento perpetuo (o un movimiento que nunca cesa).

También es la razón por la cual las centrales eléctricas deben amplificar la corriente a altos voltajes cuando la transmiten a través del país: para superar la pérdida de energía por la resistencia , la contraparte eléctrica de la fricción. Imagínese si pudiéramos encontrar una manera de eliminar la resistencia, erradicando así la pérdida de energía: sin cargos por servicio, sin impuestos y sin dinero de protección. Entrada de energía = Salida de energía.

Introduzca superconductores. Si las tres leyes de la termodinámica dicen que no existe el almuerzo gratis, entonces los superconductores tienen su pastel y también se lo comen. Envía corriente a través de un cable superconductor y no pierde energía por la resistencia. Doble el cable en un bucle y mantendrá la carga indefinidamente. Levitarlo sobre un imán , y el sol devorará la Tierra antes de que caiga.

Poco después de su descubrimiento en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes y sus colaboradores, Cornelis Dorsman, Gerrit Jan Flim y Gilles Holst, la superconductividad inspiró sueños de transmisión eléctrica sin pérdidas. Desafortunadamente, hubo una trampa.

Los superconductores requieren temperaturas muy frías, del orden de 39 Kelvin (menos 234 C, menos 389 F) para los superconductores convencionales. El alambre de mercurio sólido que utilizó Kamerlingh Onnes requería temperaturas inferiores a 4,2 K (menos 269,0 C, menos 452,1 F). Incluso los llamados superconductores de alta temperatura solo funcionan por debajo de 130 K (menos 143 C, menos 225,7 F).

Para empeorar las cosas, los superconductores dejan su estado sin resistencia si están expuestos a un campo magnético demasiado grande o demasiada electricidad.

Sin embargo, no todo estaba perdido. Los superconductores modernos, como el niobio-titanio (NbTi), han elevado el nivel de carga magnética que pueden tolerar. Sus campos magnéticos superiores los hacen útiles en ciertos trenes de levitación magnética , así como en aceleradores de protones, como el de Fermilab, o máquinas de resonancia magnética , su aplicación más común. En un futuro próximo, los investigadores esperan utilizarlos en tecnologías energéticas emergentes, como sistemas de almacenamiento de energía o turbinas eólicas de alta eficiencia .

Antes de ver las sorprendentes formas en que los superconductores eluden la resistencia, repasemos cómo funciona la resistencia.

1. La resistencia es inútil
2. buenas vibraciones
3. Tipos de superconductores: personalidades magnéticas
4. Tipos de superconductores: (relativamente) tamales calientes

Algunos conductores son mejores que otros; la clave es la organización. Los buenos conductores de trenes mantienen los ferrocarriles funcionando a tiempo, y Arturo Toscanini mantuvo a la Orquesta Sinfónica de la NBC tocando a tiempo, al combinar elementos complejos en sistemas ordenados.

Los buenos conductores eléctricos muestran una organización armoniosa similar, pero deben enfrentarse a la resistencia. De hecho, la resistencia es lo que separa a los conductores convencionales de sus primos con superpoderes.

Piense en los electrones libres en un conductor típico como personas dando vueltas por una terminal de tren. Una corriente aplicada es como la campana que anuncia la llegada del tren: en un instante, los movimientos individuales se transforman en un solo movimiento unido hacia los andenes, o lo harían, si no fuera por unos pocos alborotadores que tropiezan, se empujan, vacilan en los quioscos o negarse a dejar paso en la escalera mecánica. Gracias a la resistencia que ofrecen, algunos viajeros pierden el tren y la corriente pierde energía. Así es la vida en Conductor Terminal.

Ahora, reemplace a esos viajeros con un flash mob encubierto . Cuando suena la campana, se asocian y realizan un baile sincronizado y coreografiado en la terminal. Nadie pierde el tren y todos están menos cansados ​​cuando llegan. Esa es la maravilla de viajar en Superconductor Station.

Sin embargo, antes de estudiar los pasos de esta partícula pas de deux, demos un paso atrás y revisemos cómo la resistencia confunde los materiales mundanos. Comenzaremos de manera simple y agregaremos complejidad a medida que avanzamos.

Aunque hay excepciones, cuando decimos corriente eléctrica , generalmente nos referimos a una corriente de electrones que atraviesa un medio. Lo bien que un material conduce la electricidad se relaciona con la facilidad con la que los átomos que lo componen donan electrones. Los aisladores son tacaños, mientras que los conductores gastan el suyo como marineros con licencia en tierra.

Los electrones donados, ahora conocidos como electrones de conductancia , no orbitan átomos individuales, sino que flotan libremente por todo el conductor, como nuestros trenes de pasajeros arriba. Cuando se aplica una corriente, fluyen a través del material y transmiten electricidad.

Un conductor consta de una red de átomos; para que fluya la electricidad, los electrones deben moverse a través de esta red con la menor interferencia posible. Como un montón de pelotas de tenis lanzadas a través de un gimnasio de la jungla, las probabilidades son buenas de que algunos electrones golpeen la red. Las probabilidades de interferencia aumentan si las áreas están deformadas. Por lo tanto, es fácil ver cómo los defectos del material constituyen una de las causas de la resistencia en los conductores.

En esta analogía del gimnasio de la jungla, los átomos están representados por las intersecciones de barras de metal. En realidad, la red de un conductor no es rígida; sus átomos vibran y las interacciones que los conectan oscilan, por lo que es mejor pensar en él como una red de resortes. ¿Qué hace que estos átomos vibren? Cuanto más alta es la temperatura, más vibra la red y más probable es que nuestras pelotas de tenis se topen con interferencias. Señale la segunda fuente principal de resistencia a nuestro viejo amigo, el calor.

Esto plantea la pregunta: si el calor es el problema, ¿no podría ser el frío la respuesta? Solo relájate por un segundo: llegaremos a eso en la siguiente sección.

Si el calor aumenta la resistencia, entonces bajar el termostato debería disminuirla, ¿verdad? Bueno, lo hace, dentro de los límites. En conductores normales, la resistencia cae a medida que baja el termómetro, pero nunca desaparece. Los superconductores funcionan un poco diferente.

Cuando un superconductor se enfría, sigue una curva similar de caída gradual de la resistencia hasta que alcanza su temperatura crítica particular ; luego, abruptamente, toda resistencia desaparece. Es como si la resistencia estuviera perdiendo lentamente un tira y afloja con la conductancia y luego, frustrado, soltara la cuerda. En realidad, la sustancia sufre una transición de fase . Como el hielo derritiéndose en el agua, el material convencional asume un nuevo estado, uno sin resistencia.

Para entender lo que está pasando aquí, necesitamos hacer algunas modificaciones a nuestro gimnasio de la jungla atómica. Específicamente, necesitamos comenzar a tomar en cuenta el magnetismo .

Cuando los átomos de un conductor ceden electrones, se convierten en iones cargados positivamente, provocando una atracción neta entre la red atómica y los electrones cargados negativamente que la atraviesan. En otras palabras, como si las vibraciones y las deformaciones no fueran lo suficientemente malas, las pelotas de tenis que estamos lanzando a través de nuestro gimnasio de la jungla oscilante son imanes. Podría suponer que esto aumentaría sus posibilidades de encontrar resistencia al pasar a través de nuestra rejilla tambaleante, y tendría razón: para los conductores normales. Los superconductores, sin embargo, lo utilizan en su beneficio.

Imagine un par de pelotas de tenis lanzadas a través de la rejilla, una caliente en la cola de la otra. Cuando la primera bola atraviesa la red cargada positivamente, atrae a los átomos circundantes hacia ella. Al agruparse, estos átomos crean un área local de mayor carga positiva, lo que aumenta la fuerza que empuja al segundo electrón hacia adelante. En consecuencia, la energía gastada para pasar, en promedio, alcanza el punto de equilibrio.

Al igual que los bailarines cuadrados, estos pares de Cooper se forman y se rompen constantemente, pero el efecto general se perpetúa a sí mismo a lo largo de la línea, lo que permite que los electrones atraviesen el superconductor como un rayo engrasado.

Los pares de Cooper llevan el nombre del físico Leon N. Cooper , quien, junto con John Bardeen y John Robert Schrieffer , desarrollaron el primer modelo exitoso que explica la superconductividad en los superconductores convencionales. Su logro, conocido como Teoría BCS en su honor, les valió el Premio Nobel de física de 1972.

Sin embargo, la superconductividad se negó a permanecer inmovilizada por mucho tiempo; Poco después de que la Teoría BCS lograra tracción en el campo, los investigadores comenzaron a descubrir otros superconductores, como los óxidos de cobre superconductores de alta temperatura, que rompieron el modelo BCS.

En la siguiente sección, veremos qué diferencia a estos exóticos superconductores del resto.

Ola permanente

La mecánica cuántica nos dice que los electrones exhiben propiedades tanto de partículas como de ondas. Por lo tanto, para conceptualizar la resistencia y la superconductividad, debe imaginar los electrones como ondas que se propagan a través de un material, como las ondas en un estanque. La resistencia causada por las vibraciones de los iones excitados es similar a las piedras arrojadas a ese lago, creando ondas contrarias que interfieren o cancelan la onda de electrones. La diferencia entre los conductores normales y los superconductores radica en el grado de organización involucrado. En los superconductores, todos los electrones asumen una velocidad y dirección casi idénticas, formando una sola onda organizada que resiste la interrupción.

Dependiendo de cómo se corte el pastel, hay muchos tipos de superconductores o solo dos. Sin embargo, desde la perspectiva de cómo se comportan en los campos magnéticos, los científicos suelen clasificarlos en dos grupos.

Un superconductor Tipo I generalmente está hecho de un metal puro. Cuando se enfría por debajo de su temperatura crítica, dicho material exhibe una resistividad eléctrica cero y muestra un diamagnetismo perfecto , lo que significa que los campos magnéticos no pueden penetrarlo mientras se encuentra en el estado superconductor.

Los superconductores de tipo II suelen ser aleaciones y su diamagnetismo es más complejo. Para entender por qué, debemos observar cómo responden los superconductores al magnetismo .

Así como cada superconductor tiene una temperatura crítica que hace o deshace su estado superconductor, cada uno también está sujeto a un campo magnético crítico . Un superconductor de Tipo I entra y sale del estado superconductor en uno de esos umbrales, pero un material de Tipo II cambia de estado dos veces, en dos umbrales de campo magnético diferentes.

La distinción entre los materiales Tipo I y Tipo II se parece a la diferencia entre el hielo seco (dióxido de carbono sólido) y el hielo de agua. Ambos sólidos se enfrían bien, pero manejan el calor de manera diferente: el hielo de agua se derrite en un estado mixto, agua helada, mientras que el hielo seco se sublima : a presión normal, pasa directamente de sólido a gas.

Con respecto al magnetismo, un superconductor Tipo I es como hielo seco: cuando se expone a su campo crítico, su superconductividad se quema instantáneamente. Un Tipo II es más versátil.

Mientras se encuentra dentro de un campo débil, un material de Tipo II muestra un comportamiento similar al de Tipo I, al igual que el H ₂ O y el CO ₂ se enfrían de manera efectiva mientras están en estado sólido. Sin embargo, si se eleva el campo magnético por encima de cierto umbral, el material se reorganiza en un estado mixto, un estado de vórtice en el que pequeños remolinos de corriente superconductora fluyen alrededor de islas de material normal. Como el agua helada, todavía hace su trabajo bastante bien. Sin embargo, si la fuerza del campo magnético aumenta, las islas de normalidad crecen juntas, destruyendo así los remolinos de superconductividad circundantes.

¿Qué significa este estado mixto para el magnetismo? Hemos discutido lo que sucede cuando un superconductor se calienta. Ahora, veámoslo desde la otra dirección.

En sus estados cálidos normales, tanto los materiales de Tipo I como de Tipo II permiten que los campos magnéticos fluyan a través de ellos, pero a medida que se enfrían hacia sus temperaturas críticas, expulsan cada vez más estos campos; los electrones en el material crean corrientes de Foucault que producen un contracampo, un fenómeno conocido como efecto Meissner .

Cuando alcanzan su temperatura crítica, los superconductores Tipo I desalojan cualquier campo magnético restante como tantos otros compañeros de cuarto inactivos. Dependiendo de la fuerza del campo magnético en el que existan, los campos de Tipo II pueden hacer lo mismo, o pueden volverse un poco pegajosos. Si están en un estado de vórtice , el campo magnético que aún fluye a través de las islas de material normal en sus flujos superconductores puede atascarse, un fenómeno conocido como fijación de flujo (consulte la barra lateral). El flujo magnético es una medida de la cantidad de campo magnético. pasando por una superficie dada.

Debido a que pueden seguir siendo superconductores en este campo magnético más fuerte, los materiales de Tipo II como el niobio-titanio (NbTi) son buenos candidatos para el tipo de imanes superconductores que se encuentran, por ejemplo, en el acelerador de protones de Fermilab o en las máquinas de resonancia magnética .

Cuando las ranas vuelan

En 2000, Andre Geim y Sir Michael Berry ganaron el Premio Ig Nobel de Física al hacer levitar una rana, así como agua y avellanas, usando un superconductor y diamagnetismo. Aunque tendemos a pensar que el agua y el tejido orgánico no son magnéticos, algunos elementos y la mayoría de los compuestos exhiben un efecto repulsivo muy débil cuando se colocan en un campo magnético fuerte. Los físicos también usan el diamagnetismo para hacer levitar superconductores de manera estable. El truco radica en los superconductores de tipo II, como el óxido de cobre, bario e itrio, que permiten que pase un poco de campo magnético y lo fijan en su lugar. El video de "levitación cuántica" que se volvió viral en la web en 2011 ejemplifica este tipo de levitación, en la que el magnetismo y el diamagnetismo se combinan para mantener el levitador perfectamente quieto, a diferencia de los materiales de Tipo I, que levitan constantemente pero se tambalean, o ferromagnetos,

The industrial and scientific applications of superconductors are limited by the special temperature conditions they require to work their electromagnetic mojo, so it makes sense to classify materials based on their critical temperatures and pressure requirements.

Hundreds of substances, including 27 metallic elements -- such as aluminum, lead, mercury and tin -- become superconductors at low temperatures and pressures. Another 11 chemical elements -- including selenium, silicon and uranium -- transition to a superconductive state at low temperatures and high pressures [source: Encyclopaedia Britannica].

Until 1986, when IBM researchers Karl Alexander Mulller and Johannes Georg Bednorz ushered in the age of high-temperature superconductors with a barium-lanthanum-copper oxide that achieved zero resistance at 35 K (minus 238 C, minus 397 F), the highest critical temperature achieved by a superconductor measured 23 K (minus 250 C, minus 418 F). Such low-temperature superconductors required cooling by liquid helium, which was difficult to produce and tended to break budgets [source: Haldar and Abetti]. High-temperature superconductors bring the temperature range up to around 130 K (minus 143 C, minus 226 F), meaning they can be cooled using liquid nitrogen made cheaply from air [source: Mehta].

Although physicists understand the mechanisms governing low-temperature superconductors, which follow the BCS model, high-temperature superconductors remain enigmatic [source: CERN]. The holy grail would be to achieve a material with zero resistance at room temperature, but thus far that dream remains elusive. Perhaps it cannot be done or, perhaps, like other scientific revolutions, it lies just over the horizon, awaiting the necessary technological or theoretical innovation to make the dream a reality.

In the meantime, the powerful advantages that superconductors offer suggest a wide array of present and future applications in the areas of electric power, transportation, medical imaging and diagnostics, nuclear magnetic resonance (NMR), industrial processing, high energy physics, wireless communications, instrumentation, sensors, radar, high-end computing and even cryogenics [source: CCAS].

In addition to the maglev , MRI and particle accelerator applications we mentioned earlier, superconductors are currently used commercially in NMR spectroscopy, a key tool for biotechnology, genomics, pharmaceutical research and materials science work. Industry also applies them in a magnetic process for separating kaolin clay, a common filler in paper and ceramic products.

As for the future, if researchers and manufacturers can overcome superconductors' limitations of cost, refrigeration, reliability and acceptance, the sky's the limit. Some see green technologies, such as windmills, as the next step in a more widespread acceptance and application of the technology, but larger possibilities loom.

Who knows? Perhaps a future reader will peruse this very article on a computer equipped with near-light-speed processors, hooked to a grid powered by fusion reactors -- all thanks to superconductivity.

Vive La Différence

Los superconductores cuentan con una resistividad superior a cero; también ofrecen una densidad de conducción de corriente extremadamente alta, una resistencia excepcionalmente baja a altas frecuencias, una dispersión de señal muy baja y una alta sensibilidad al campo magnético. Excluyen los campos magnéticos aplicados externamente, exhiben comportamientos cuánticos inusuales y son capaces de transmitir señales a una velocidad cercana a la de la luz. Esta combinación de factores reescribe efectivamente las reglas para las industrias electromagnéticas y sugiere numerosas innovaciones posibles, que incluyen una mejor transmisión, generación y almacenamiento de energía eléctrica; imanes para motores más pequeños y potentes; equipos médicos de última generación; componentes de microondas mejorados para comunicaciones y aplicaciones militares; sensores muy mejorados; y el uso de campos magnéticos para contener partículas cargadas.

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