Por Leni Bascones (CSIC)*
Hace treinta años, el 27 de enero de 1986, en el laboratorio de IBM en Zurich, los científicos Georg Bednorz y Alex Müller observaron que un óxido de cobre dejaba de presentar resistencia al paso de la corriente eléctrica por debajo de 238 grados bajo cero. Por este descubrimiento, que daría lugar a uno de los grandes enigmas de la física, recibirían en 1987 el premio Nobel de Física más rápido de la historia.
La superconductividad es una propiedad que se conoce desde 1911, por la cual algunos materiales pierden la resistencia eléctrica y expulsan los campos magnéticos al enfriarse por debajo de una temperatura crítica. La novedad del descubrimiento de Bednorz y Müller residía en la temperatura y el tipo de materiales en que observaron este fenómeno.
A pesar de la gran cantidad de materiales superconductores que se conocían hasta esa fecha, ninguno presentaba superconductividad por encima de 250 grados bajo cero, 23 grados por encima del cero absoluto, por lo que la temperatura medida por Berdnorz y Muller suponía un notable aumento. El hallazgo cobró una importancia mucho mayor al descubrirse poco después que otros óxidos de cobre eran superconductores a temperaturas de hasta 140 grados bajo cero. En aquella época se pensaba que no era posible encontrar superconductores a temperaturas tan altas.
El aumento de la temperatura crítica es muy importante para las aplicaciones de los superconductores. Cuando la temperatura de transición es muy baja es necesario utilizar helio líquido para enfriar, que es muy costoso y complicado de manejar. Cuando el superconductor se puede utilizar a temperaturas por encima de 196 grados bajo cero se puede enfriar con nitrógeno líquido, que es mucho más barato y un poco más fácil de utilizar.
En 1957 los físicos Bardeen, Cooper y Schrieffer, en su teoría BCS (llamada así por las iniciales de sus nombres), explicaron que el estado superconductor es un estado colectivo en el que los electrones forman pares, los llamados pares de Cooper, y que estos pares se mueven de forma coordinada (ver animación). Para que los electrones formen pares es necesario que se atraigan. Los electrones son partículas cargadas, por lo que en condiciones generales se repelen. Según la teoría BCS, gracias a las vibraciones de los átomos cargados positivamente que forman la red cristalina del material se establece una atracción efectiva entre los electrones.
La mayoría de los superconductores que se conocían hasta 1986 eran metales normales, algunos muy presentes en nuestra vida diaria, como el plomo o el aluminio; otros menos como el niobio-estaño. En estos superconductores la teoría BCS funciona bien. Sin embargo los óxidos de cobre superconductores, habitualmente llamados cupratos, son materiales cerámicos en los que la repulsión entre los electrones es extremadamente fuerte. Resulta paradójico que la superconductividad involucre la formación de pares de electrones, al tiempo que las mayores temperaturas críticas se encuentran en los compuestos con mayor repulsión electrónica.
La superconductividad de los cupratos no puede explicarse según la teoría convencional de Bardeen, Cooper y Schrieffer, en las que el pegamento de los pares de electrones son las vibraciones de la red. Se cree que de alguna forma la propia repulsión electrónica juega un papel importante en la superconductividad. No está claro de qué forma.
Desde 1986 se ha hecho un gran esfuerzo por entender el origen de la superconductividad y las propiedades de estos compuestos. Los cupratos son, de hecho, los materiales que más se han estudiado a lo largo de la historia. Su estudio ha propiciado el desarrollo de técnicas experimentales y teóricas. Sin embargo, de momento no hay ninguna teoría aceptada por la comunidad científica que explique su comportamiento. Lo cierto es que, dadas las anómalas propiedades de estos sistemas, ni siquiera entendemos el estado normal (no superconductor) a temperaturas por encima de la temperatura crítica. Treinta años después la superconductividad de alta temperatura sigue siendo un enigma para los científicos.
Imán levitando sobre un superconductor de alta temperatura en un taller sobre superconductividad en el ICMM (CSIC)/Laura Ferrando.
Durante estos años la investigación nos ha deparado nuevas sorpresas. En 2008, Hideo Hosono y su grupo descubrieron superconductividad de alta temperatura en compuestos basados en hierro. A pesar de que las temperaturas críticas de estos materiales no es tan alta como la de los cupratos, el descubrimiento revolucionó a la comunidad científica que se volcó en estos nuevos materiales. Los superconductores de hierro comparten muchas propiedades con los cupratos, en particular la importancia de la repulsión entre los electrones y quizá el origen de la superconductividad. Sin embargo, diferencias a nivel microscópico tienen consecuencias importantes en las propiedades que se observan, por lo que aún no está claro el nexo que une a los dos tipos de compuestos.
La última gran sorpresa en temperaturas críticas en superconductores llegó el año pasado. Mikhail Eremets y sus colegas observaron superconductividad a -70ºC, ¡el récord!, en un compuesto de hidrógeno y azufre que habían sometido a presiones extremadamente altas. Este descubrimiento, que aún está por confirmar por otros grupos de investigación, difiere de los anteriores. Por primera vez un superconductor de alta temperatura ha sido predicho, antes de ser observado. La diferencia es que este sistema es un superconductor convencional, y, por tanto, entendemos el origen de la superconductividad.
Seguiremos trabajando por encontrar nuevos superconductores de alta temperatura crítica, quizá a temperatura ambiente, y sobre todo por entender la superconductividad de alta temperatura no convencional.
*Leni Bascones investiga junto a María José Calderón y Belén Valenzuela los nuevos superconductores de hierro en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC. Puedes saber más sobre superconductividad en su web de divulgación y seguir sus noticias a través de su twitter.
Gracias por el artículo. Una observación , sin embargo: ¿cómo se «expulsa» un campo magnético?
27 enero 2016 | 21:38
Sé que la superconductividad, a efectos prácticos, se ha utilizado para crear un tren que «levita» sobre las vías. ¿Hay más campos donde se halla aplicado la superconductividad?. Por cierto, me he llevado una bonita sorpresa, no sabía que teniais publicacines tan interesantes, muchas gracias.
29 enero 2016 | 01:25
esmeralda: Que yo conozca, los trenes de levitación magnética (MAGLEV) no están relacionados con la superconductividad. Son solo imanes que se repelen al paso de una corriente eléctrica, pero normal y corriente… vamos, de las que pagan una factura de la luz de escándalo.
15 febrero 2016 | 14:14