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Superconductividad: física cuántica que puedes ver

María José CalderónPor María José Calderón*

Hace 104 años, el 8 de abril de 1911, en un laboratorio de Leiden (Holanda) se descubrió un fenómeno que aún no comprendemos completamente: la superconductividad. Unos años antes, Heike Kamerlingh Onnes había conseguido condensar el helio y de esta forma bajar la temperatura hasta -269ºC, muy cerca del cero absoluto (a -273ºC). Este logro, por el que Onnes recibiría el premio Nobel en 1913, permitió la realización de experimentos a temperaturas muy bajas que abrió nuevos horizontes en el estudio de las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales.

Onnes centró su atención en estudiar cómo conducían la electricidad los metales a temperaturas extremadamente bajas. Eligió el mercurio, que es sólido a esas temperaturas, y encontró un comportamiento completamente inesperado: a casi -269ºC, y de forma abrupta, los aparatos de medida no registraban ninguna resistencia al paso de la corriente.

Los metales normales siempre presentan resistencia debido a la interacción de los electrones entre ellos y con el movimiento de los átomos del sólido. Dicha resistencia produce una pérdida de la energía de los electrones en forma de calor. Este es el efecto Joule, que puede resultar muy útil para hacer un calefactor eléctrico o un secador, pero que también es el responsable de una significativa pérdida de energía eléctrica en su transporte desde los puntos de producción a los de consumo. Para contrarrestar la pérdida de energía tenemos que conectar los metales a pilas u otras fuentes de voltaje. Sin embargo, en un superconductor, una vez que se ha establecido el paso de corriente, esta persiste para siempre.

Otra propiedad de los superconductores, asociada de forma fundamental a la conducción sin resistencia, es que expulsan los campos magnéticos. Este es el efecto Meissner, descubierto en 1933. Una consecuencia espectacular de este efecto es que un superconductor levita sobre un imán (o viceversa).

Aunque parezca extraño, la superconductividad es mucho más común de lo que parece. ¡Los materiales superconductores se cuentan por cientos! Sin embargo, todos ellos son metales a temperatura ambiente y tenemos que enfriarlos mucho, a temperaturas muy por debajo de las que se registran en los lugares más fríos de la Tierra, para que sean superconductores. Afortunadamente, la temperatura crítica máxima por debajo de la cual los materiales superconducen está ahora muy por encima de los -269ºC del mercurio. Los materiales cupratos, descubiertos en 1986, superconducen por encima de la temperatura del nitrógeno líquido (-196ºC), por lo que es relativamente fácil enfriarlos.

Levitacion

Imán levitando sobre un superconductor enfriado con nitrógeno líquido durante una actividad de divulgación del CSIC.

Los superconductores ya se usan en múltiples aplicaciones y se prevé que jueguen un papel fundamental en las tecnologías del futuro en campos como la energía, el medio ambiente, el transporte, la nanotecnología y la salud. Precisamente en este ámbito, ya se utilizan potentes electroimanes fabricados con cables superconductores en equipos de resonancia magnética.

Las aplicaciones podrán ser aún más amplias cuanto más se conozca la naturaleza de estos materiales, cuyas claves se han ido desgranando poco a poco a lo largo de la historia. Por ejemplo, la primera explicación microscópica de la superconductividad data de 1957. Bardeen, Cooper y Schrieffer dieron con la clave para explicar por qué los electrones en los superconductores se comportaban de forma diferente y se les distinguió con el premio Nobel de Física de 1972 por ello. Esta es la llamada teoría BCS. En pocas palabras, los electrones se asocian formando los llamados pares de Cooper. Estos pares no son independientes unos de otros sino que todos saben lo que están haciendo los demás, como en una danza bien ensayada, y así pueden moverse sin encontrar ningún tipo de resistencia a su movimiento. Aunque contado así parezca trivial, fue necesario el desarrollo de la física cuántica para llegar a entender este comportamiento colectivo de los electrones.

Pero, ¿por qué se asocian los electrones para formar parejas? ¿No se supone que dos cargas eléctricas iguales se repelen? Así es, pero los electrones que conducen la electricidad están inmersos en un material por lo que están sometidos a otros tipos de interacciones. En los llamados superconductores convencionales, que se descubrieron en las primeras décadas del siglo XX, los iones vibran de tal forma que los electrones prefieren formar parejas (porque minimizan su energía). Hay otros muchos superconductores, los no convencionales, en los que los electrones también forman parejas, pero aún no sabemos qué les empuja a ello.

La última gran familia de superconductores, basados en hierro, se descubrió en 2008. Tras 104 años de investigación en este campo aún quedan incógnitas por resolver y mucha tecnología por desarrollar.

*María José Calderón investiga, junto con Belén Valenzuela y Leni Bascones, 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.

6 comentarios

  1. Dice ser Cyrano

    Excelente artículo, no es fácil poner a nivel del profano conceptos tan abrumadoramente complejos.
    Mas aún, maravilloso saber que aún quedan cosas en la dísica por explicar y comprender, ya es mucho muchísimo lo que cabemos y muchísimas sus aplicaciones, quien sabe lo que deparará el futuro.,

    08 abril 2015 | 10:43

  2. Dice ser Sicólogo Astral

    A esas temperaturas tan bajas no tiene utilidad fuera de laboratorios. hasta que no funcionen a temperatura ambiente no pueden salir de los laboratorios.con ellos se puede crear electricidad infinita,asi que nunca pisarán la calle porque solo importa el dinero y no los avances tecnológicos.

    08 abril 2015 | 11:15

  3. Dice ser Fisico Cuantico Meigott

    Esa informacion esta desfasada ya que empleando positrones de kaón transportados por neutrinos la resistencia que generan es 0 a temperatura ambiente.

    08 abril 2015 | 13:13

  4. Dice ser JuanMa

    Sicólogo Astral. Los superconductores no sirven para crear electricidad infinita.

    Como bien dice la palabra, son superconductores. Es decir, conducen una electricidad generada, sin pérdidas. Pero la electricidad hay que generarla igual. Tan sólo conseguirás transportarla sin perder parte de ella.

    La electricidad se genera de la misma manera, transformando otro tipo de energía (solar, potencial, térmica) y se consumirá de igual manera en el destino. Y sólo podrás consumir lo que previamente hayas generado.

    Nada de eso se ve afectado por un semiconductor.

    08 abril 2015 | 14:01

  5. Dice ser realidad

    me has hecho recordar al Kittel cuando lo estudiaba.

    08 abril 2015 | 19:21

  6. Dice ser Sicólogo Astral

    #JuanMa

    Se hace circular una electricidád por un primario de transformador.esta carga daria vueltas infinitamente creando energia en el secundario sin gastarse ante la ausencia de resistencia.por ahi anda la cosa.

    08 abril 2015 | 23:43

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