Superconductores Pedro Enrique Ortiz Ortega

Los superconductores son unos de los materiales más fascinantes de la física, estos tienen una característica especial la es que depende de una temperatura para pasar de un estado normal al estado denominado superconductor, esta temperatura es llamada temperatura crítica Tc. La temperatura crítica es única para cada material superconductor, se ha encontrado que Tc está relacionado con la cantidad de impurezas magnéticas que contenga dicho material. Una de las propiedades más interesantes de un superconductor y por la cual se debe su nombre es que estos poseen una resistencia nula cuando pasa a través de ellos una corriente continua, y es casi nula cuando es una corriente alterna, también en un superconductor siempre existe el efecto Meissner el cual consiste en que si existe un campo magnético externo este no pueda penetrar al interior del superconductor y este campo magnético interno siempre es cero para un superconductor. Otra propiedad fundamental de una superconductor es que estos pueden regresar a su estado normal o dicho de otra forma se puede deshacer el estado superconductor si se le aplica un campo magnético mayor a Bc, o una corriente mayor a Ic, que son llamados campo magnético critico y corriente crítica respectivamente.

Sin embargo, los materiales superconductores poseen propiedades que no cambian, como es el caso de:

1. La simetría de la red cristalina2. No hay cambio apreciables de la propiedades ópticas del material3. En ausencia de un campo magnético aplicado sobre la muestra, no hay calor latente en la

transición4. Las propiedades elásticas y de expansión térmica no cambian en la transición

Sin embargo, aun cuando los materiales superconductores tienen propiedades que comparten en general, estos se dividen en dos tipos. Llamados Tipo I o suaves y Tipo II o duros. Esta distinción de materiales se hace debido a que el paso de transición de estado superconductor a normal cuando el campo aplicado es mayor a Bc, es diferente en cada tipo. En los materiales tipo I cuando se alcanza Bc, la muestra del material pasa abruptamente a estado normal, es decir el cambio es simultáneo en toda la muestra. Mientras que para los tipo II la transición es gradual, en las graficas experimentales se pueden apreciar dos puntos del campo critico en los tipo II, llamemos el primero Bc1 que es cuando empieza la transición al estado normal y Bc 2 que es el punto donde termina la transición y se encuentra el material en estado normal. Este paso de transición se debe a un fenómeno característico solo en los materiales de tipo II llamado estado mixto, el cual en pocas palabras es que existen pequeños filamentos de estado normal del material poseen un flujo de campo magnético en el centro de dichos filamentos, a medida que el campo externo crece se empiezan a formar mas filamentos de estado normal hasta que cuando alcanza Bc2, los filamentos cubren por completo al material.

Hasta ahora se ha dado una descripción de los materiales superconductores y de algunas de sus características. Sin embargo, al leer estos párrafos surgen muchas dudas acerca de estos

materiales. Una de las primera preguntas que me surgieron es ¿A qué fenómeno se debe que ocurra la superconductividad en dichos materiales?, también ¿Por qué la temperatura es tan importante en el paso al estado de superconductor?

Para contestar la primera pregunta, se utiliza un fenómeno muy peculiar llamado pares de Cooper, este fenómeno es en pocas palabras la atracción de electrones para formar pares de estos, de ahí el nombre. Pero más allá de esta simple definición, el fenómeno es un poco más complicado de lo que se ve a simple vista, debido a que sabes por el electromagnetismo que cargas de signos iguales se repelen, entonces ¿Cómo surgen estos pares de Cooper? La respuesta se halla en fijarnos bien una de las propiedades que permanecen intactas al pasar del estado normal al superconductor, la cual es que la red cristalina no cambia. Ahora visualicemos a la red cristalina donde cada ion esta unido por resortes, entonces cuando la red siente la presencia de un electrón este afecta a la red cristalina de tal manera que hace vibrar a los resortes de la red, de tal manera que la red interactúa con el electrón de tal manera que la carga neta de red con electrón es positiva lo cual atrae a otro electrón y este forme un par con el otro electrón para tratar de neutralizar la carga positiva de la red cristalina. Aun cuando la red de iones vibra por efecto de la aparición de los electrones esta no cambia su forma de red.

Claro que esto no podría darse si el estado de energía de la red no fuera lo suficientemente pequeño para que se pueda dar la creación de pares de Cooper. Existe un mínimo en la energía de la red cristalina que corresponde generalmente a la separación de equilibrio de los iones (excitación de los iones), alrededor de este mínimo se encuentran vibrando los iones. Cuando se reduce la temperatura de la red de iones a temperaturas menores o iguales a la critica la energía térmica de la red es menor que la energía necesaria para excitar a los iones, por lo tanto estos se ven como si estuvieran estáticos o vibran muy poco; entonces los electrones viajando en pares no están sujetos a estar aislados por la red de iones, es decir los obstáculos se reducen a cero, y como estos pares de Cooper los podemos visualizar como Bosones estos no están sometidos al principio de exclusión de Pauli entonces estos pueden estar en el mismo estado cuántico y se puede pensar que se están moviendo a la misma velocidad por lo tanto no hay colisiones entre ellos ni entre obstáculos por lo tanto no hay perdida de energía, lo cual indica que la resistencia sea hace nula cuando su temperatura es igual o mayor que la crítica, con lo cual contesta a la segunda pregunta hecha.

Lo anterior nos indica que la termodinámica está muy inmersa en la transición del estado normal al superconductor, por lo tanto es razonable preguntarnos como es el comportamiento de la entropía en este sistema. Debido a que la entropía nos indica el nivel de orden de un sistema, y como se ha encontrado que un superconductor posee menos energía que cuando está en el estado normal, decimos que el material en estado superconductor se encuentra más ordenado que en el estado normal, pero lo importante de este tema es que el orden de este sistema no se refleja en la red cristalina sino en el ordenamiento de los electrones.

Uno de los materiales que mas me llamo la atención fueron los materiales cerámicos, debido a las altas Tc’s que poseen. Sin embargo, esto me hizo preguntar ¿Qué factores son los que hacen que

estos materiales cerámicos difieran tanto de sus Tc’s en comparación con los demás materiales superconductores? Cuando uno se fija en la liste de los materiales cerámicos, vemos que ciertos elementos oxigeno y cobre siempre están presente en lo materiales con altas Tc. Esto podría ser una posible respuesta para la pregunta hecha, sin embargo, aun no se sabe si esta conjetura es cierta. También, se piensa que los efectos de bidimensionalidad podrían ser uno de los responsables para responder a la pregunta anterior, donde en este espacio de dos dimensiones corresponde a las capas de oxigeno y cobre del material.

Aunque no se ha podido responder esta última pregunta, pues no se encontró ninguna referencia que ilustrase acerca del tema. Se deja esta respuesta abierta esperando nuevas investigaciones en el ámbito de los superconductores cerámicos, debido a que un superconductor con una Tc a temperaturas más altas a las encontradas actualmente seria una revolución para la vida tecnológica. Por lo cual podemos concluir que si bien en la actualidad se utilizan mucha tecnología basada en los materiales superconductores, estos aun no se han explicado del todo por lo cual aun falta investigar en el estado de transición de un estado normal a superconductor, en especial para los superconductores cerámicos pues estos son los candidatos a que puedan incrementar aun mas su Tc por lo que se puede dar un panorama de que podrían ser los posibles materiales que lleguen a revolucionar la tecnología tal como la conocemos hoy en día.

Bibliografia

Magaña Solís, L. F. Los superconductores. La ciencia para todos. México, D.F. 1997