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Superconductividad

Un superconductor de alta temperatura que levita sobre un imán. Una corriente eléctrica constante fluye sobre la superficie del superconductor, actuando para excluir el campo magnético del imán ( efecto Meissner ). Esta corriente forma efectivamente un electroimán que repele el imán.

La superconductividad es un conjunto de propiedades físicas que se observan en los superconductores : materiales en los que la resistencia eléctrica desaparece y los campos magnéticos se expulsan del material. A diferencia de un conductor metálico ordinario , cuya resistencia disminuye gradualmente a medida que baja su temperatura, incluso hasta casi el cero absoluto , un superconductor tiene una temperatura crítica característica por debajo de la cual la resistencia cae abruptamente a cero. [1] [2] Una corriente eléctrica a través de un bucle de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin una fuente de energía. [3] [4] [5] [6]

El fenómeno de la superconductividad fue descubierto en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes . Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas , la superconductividad es un fenómeno que sólo puede explicarse mediante la mecánica cuántica . Se caracteriza por el efecto Meissner , la cancelación completa del campo magnético en el interior del superconductor durante sus transiciones al estado superconductor. La aparición del efecto Meissner indica que la superconductividad no puede entenderse simplemente como la idealización de la conductividad perfecta en la física clásica .

En 1986, se descubrió que algunos materiales cerámicos de cuprato - perovskita tienen una temperatura crítica superior a 90 K (−183 °C). [7] Una temperatura de transición tan alta es teóricamente imposible para un superconductor convencional , lo que lleva a que los materiales se denominen superconductores de alta temperatura . El nitrógeno líquido refrigerante, disponible a bajo precio , hierve a 77 K (−196 °C) y, por lo tanto, la existencia de superconductividad a temperaturas más altas que esta facilita muchos experimentos y aplicaciones que son menos prácticos a temperaturas más bajas.

Historia

Heike Kamerlingh Onnes (derecha), descubridora de la superconductividad. A su izquierda están Paul Ehrenfest , Hendrik Lorentz y Niels Bohr .

La superconductividad fue descubierta el 8 de abril de 1911 por Heike Kamerlingh Onnes, quien estaba estudiando la resistencia del mercurio sólido a temperaturas criogénicas utilizando el helio líquido recientemente producido como refrigerante . [8] A la temperatura de 4,2 K, observó que la resistencia desaparecía abruptamente. [9] En el mismo experimento, también observó la transición superfluida del helio a 2,2 K, sin reconocer su importancia. La fecha precisa y las circunstancias del descubrimiento solo se reconstruyeron un siglo después, cuando se encontró el cuaderno de notas de Onnes. [10] En las décadas posteriores, se observó superconductividad en varios otros materiales. En 1913, se descubrió que el plomo era superconductor a 7 K, y en 1941 se descubrió que el nitruro de niobio era superconductor a 16 K.

Se han dedicado grandes esfuerzos a descubrir cómo y por qué funciona la superconductividad; el paso importante se produjo en 1933, cuando Meissner y Ochsenfeld descubrieron que los superconductores expulsaban campos magnéticos aplicados, un fenómeno que se conoció como el efecto Meissner. [11] En 1935, Fritz y Heinz London demostraron que el efecto Meissner era una consecuencia de la minimización de la energía libre electromagnética transportada por la corriente superconductora. [12]

Ecuaciones constitutivas de Londres

El modelo teórico que se concibió por primera vez para la superconductividad fue completamente clásico: se resume en las ecuaciones constitutivas de London . Fue propuesto por los hermanos Fritz y Heinz London en 1935, poco después del descubrimiento de que los superconductores expulsan campos magnéticos. Un triunfo importante de las ecuaciones de esta teoría es su capacidad para explicar el efecto Meissner [11] , en el que un material expulsa exponencialmente todos los campos magnéticos internos a medida que cruza el umbral superconductor. Al utilizar la ecuación de London, se puede obtener la dependencia del campo magnético dentro del superconductor con la distancia a la superficie. [13]

Las dos ecuaciones constitutivas de un superconductor según London son:

La primera ecuación se deriva de la segunda ley de Newton para electrones superconductores.

Teorías convencionales (década de 1950)

Durante la década de 1950, los físicos teóricos de la materia condensada llegaron a una comprensión de la superconductividad "convencional", a través de un par de teorías notables e importantes: la teoría fenomenológica de Ginzburg-Landau (1950) y la teoría microscópica BCS (1957). [14] [15]

En 1950, Landau y Ginzburg idearon la teoría fenomenológica de la superconductividad de Ginzburg-Landau . [16] Esta teoría, que combinaba la teoría de Landau de las transiciones de fase de segundo orden con una ecuación de onda similar a la de Schrödinger , tuvo un gran éxito a la hora de explicar las propiedades macroscópicas de los superconductores. En particular, Abrikosov demostró que la teoría de Ginzburg-Landau predice la división de los superconductores en las dos categorías ahora conocidas como Tipo I y Tipo II. Abrikosov y Ginzburg recibieron el Premio Nobel de 2003 por su trabajo (Landau había recibido el Premio Nobel de 1962 por otros trabajos y murió en 1968). La extensión de cuatro dimensiones de la teoría de Ginzburg-Landau, el modelo de Coleman-Weinberg , es importante en la teoría cuántica de campos y la cosmología .

También en 1950, Maxwell y Reynolds et al. descubrieron que la temperatura crítica de un superconductor depende de la masa isotópica del elemento constituyente. [17] [18] Este importante descubrimiento señaló la interacción electrón - fonón como el mecanismo microscópico responsable de la superconductividad.

La teoría microscópica completa de la superconductividad fue finalmente propuesta en 1957 por Bardeen , Cooper y Schrieffer . [15] Esta teoría BCS explicaba la corriente superconductora como un superfluido de pares de Cooper, pares de electrones que interactúan a través del intercambio de fonones. Por este trabajo, los autores fueron galardonados con el Premio Nobel en 1972.

La teoría BCS se estableció sobre una base más sólida en 1958, cuando NN Bogolyubov demostró que la función de onda BCS, que originalmente se había derivado de un argumento variacional, podía obtenerse utilizando una transformación canónica del hamiltoniano electrónico . [19] En 1959, Lev Gor'kov demostró que la teoría BCS se reducía a la teoría de Ginzburg-Landau cerca de la temperatura crítica. [20] [21]

Las generalizaciones de la teoría BCS para superconductores convencionales forman la base para la comprensión del fenómeno de la superfluidez , porque caen dentro de la clase de universalidad de transición lambda . El grado en que tales generalizaciones se pueden aplicar a superconductores no convencionales todavía es controvertido.

Más historia

La primera aplicación práctica de la superconductividad se desarrolló en 1954 con la invención del criotrón por parte de Dudley Allen Buck . [22] Dos superconductores con valores muy diferentes del campo magnético crítico se combinan para producir un interruptor rápido y simple para elementos de computadora.

Poco después de descubrir la superconductividad en 1911, Kamerlingh Onnes intentó fabricar un electroimán con bobinados superconductores, pero descubrió que los campos magnéticos relativamente bajos destruían la superconductividad en los materiales que investigaba. Mucho más tarde, en 1955, GB Yntema [23] logró construir un pequeño electroimán de núcleo de hierro de 0,7 teslas con bobinados de alambre de niobio superconductor. Luego, en 1961, JE Kunzler , E. Buehler, FSL Hsu y JH Wernick [24] hicieron el sorprendente descubrimiento de que, a 4,2 kelvin, el niobio-estaño , un compuesto que consta de tres partes de niobio y una parte de estaño, era capaz de soportar una densidad de corriente de más de 100.000 amperios por centímetro cuadrado en un campo magnético de 8,8 teslas. A pesar de ser frágil y difícil de fabricar, el niobio-estaño ha demostrado ser extremadamente útil en superimanes que generan campos magnéticos de hasta 20 teslas. En 1962, TG Berlincourt y RR Hake [25] [26] descubrieron que las aleaciones más dúctiles de niobio y titanio son adecuadas para aplicaciones de hasta 10 teslas. Poco después, la producción comercial de alambre supermagnético de niobio-titanio comenzó en Westinghouse Electric Corporation y en Wah Chang Corporation . Aunque el niobio-titanio cuenta con propiedades superconductoras menos impresionantes que las del niobio-estaño, el niobio-titanio se ha convertido, sin embargo, en el material supermagnético "caballo de batalla" más utilizado, en gran medida como consecuencia de su muy alta ductilidad y facilidad de fabricación. Sin embargo, tanto el niobio-estaño como el niobio-titanio encuentran amplias aplicaciones en los generadores de imágenes médicas de resonancia magnética, en imanes de flexión y enfoque para enormes aceleradores de partículas de alta energía y en una serie de otras aplicaciones. Conectus, un consorcio europeo de superconductividad, estimó que en 2014, la actividad económica mundial para la que la superconductividad era indispensable ascendió a unos cinco mil millones de euros, y los sistemas de resonancia magnética representaron aproximadamente el 80% de ese total.

En 1962, Josephson hizo la importante predicción teórica de que una supercorriente puede fluir entre dos piezas de superconductor separadas por una fina capa de aislante. [27] Este fenómeno, ahora llamado efecto Josephson , es explotado por dispositivos superconductores como los SQUID . Se utiliza en las mediciones más precisas disponibles del flujo magnético cuántico Φ 0  =  h /(2 e ), donde h es la constante de Planck . Acoplado con la resistividad cuántica de Hall , esto conduce a una medición precisa de la constante de Planck. Josephson recibió el Premio Nobel por este trabajo en 1973. [28]

En 2008, se propuso que el mismo mecanismo que produce superconductividad podría producir un estado superaislante en algunos materiales, con una resistencia eléctrica casi infinita . [29] El primer desarrollo y estudio del condensado de Bose-Einstein (BEC) superconductor en 2020 sugiere que existe una "transición suave entre" los regímenes BEC y Bardeen-Cooper-Shrieffer . [30] [31]

Clasificación

Existen muchos criterios para clasificar los superconductores. Los más comunes son:

Respuesta a un campo magnético

Un superconductor puede ser de Tipo I , es decir, tiene un único campo crítico , por encima del cual se pierde toda la superconductividad y por debajo del cual el campo magnético se expulsa completamente del superconductor; o de Tipo II , es decir, tiene dos campos críticos, entre los cuales permite la penetración parcial del campo magnético a través de puntos aislados. [32] Estos puntos se denominan vórtices . [33] Además, en los superconductores multicomponentes es posible tener una combinación de los dos comportamientos. En ese caso, el superconductor es de Tipo-1.5 . [34]

Por teoría de funcionamiento

Un superconductor es convencional si está impulsado por la interacción electrón-fonón y se explica por la teoría BCS habitual o su extensión, la teoría de Eliashberg. De lo contrario, es no convencional . [35] [36] Alternativamente, un superconductor se llama no convencional si el parámetro de orden superconductor se transforma de acuerdo con una representación irreducible no trivial del grupo puntual o grupo espacial del sistema. [37]

Por temperatura crítica

Un superconductor generalmente se considera de alta temperatura si alcanza un estado superconductor por encima de una temperatura de 30 K (−243,15 °C); [38] como en el descubrimiento inicial de Georg Bednorz y K. Alex Müller . [7] También puede hacer referencia a materiales que pasan a la superconductividad cuando se enfrían con nitrógeno líquido , es decir, a solo T c  > 77 K, aunque esto generalmente se usa solo para enfatizar que el refrigerante de nitrógeno líquido es suficiente. Los superconductores de baja temperatura se refieren a materiales con una temperatura crítica por debajo de 30 K y se enfrían principalmente con helio líquido ( T c  > 4,2 K). Una excepción a esta regla es el grupo de superconductores de pnictidos de hierro que muestran un comportamiento y propiedades típicas de los superconductores de alta temperatura, aunque algunos del grupo tienen temperaturas críticas por debajo de 30 K.

Por material

Arriba: Tabla periódica de sólidos elementales superconductores y su temperatura crítica experimental (T)
Abajo: Tabla periódica de hidruros binarios superconductores (0–300 GPa). Las predicciones teóricas se indican en azul y los resultados experimentales en rojo [39]

Las clases de materiales superconductores incluyen elementos químicos (por ejemplo, mercurio o plomo ), aleaciones (como niobio-titanio , germanio-niobio y nitruro de niobio ), cerámicas ( YBCO y diboruro de magnesio ), pnictidos superconductores (como LaOFeAs dopado con flúor) o superconductores orgánicos ( fulerenos y nanotubos de carbono ; aunque quizás estos ejemplos deberían incluirse entre los elementos químicos, ya que están compuestos completamente de carbono ). [40] [41]

Propiedades elementales

Varias propiedades físicas de los superconductores varían de un material a otro, como la temperatura crítica, el valor del espacio superconductor , el campo magnético crítico y la densidad de corriente crítica a la que se destruye la superconductividad. Por otro lado, existe una clase de propiedades que son independientes del material subyacente. El efecto Meissner, la cuantificación del flujo magnético o las corrientes permanentes, es decir, el estado de resistencia cero son los ejemplos más importantes. La existencia de estas propiedades "universales" tiene su raíz en la naturaleza de la simetría rota del superconductor y la aparición del orden de largo alcance fuera de la diagonal. La superconductividad es una fase termodinámica y, por lo tanto, posee ciertas propiedades distintivas que son en gran medida independientes de los detalles microscópicos. El orden de largo alcance fuera de la diagonal está estrechamente relacionado con la formación de pares de Cooper .

Resistencia eléctrica continua cero

Cables eléctricos para aceleradores en el CERN . Tanto los cables grandes como los delgados tienen una capacidad nominal de 12.500 A. Arriba : cables normales para el LEP ; abajo: cables basados ​​en superconductores para el LHC
Sección transversal de una varilla superconductora preformada del Supercolisionador Superconductor de Texas (SSC) abandonado

El método más simple para medir la resistencia eléctrica de una muestra de algún material es colocarla en un circuito eléctrico en serie con una fuente de corriente I y medir el voltaje resultante V a través de la muestra. La resistencia de la muestra está dada por la ley de Ohm como R = V / I . Si el voltaje es cero, esto significa que la resistencia es cero.

Los superconductores también son capaces de mantener una corriente sin voltaje aplicado, una propiedad explotada en electroimanes superconductores como los que se encuentran en las máquinas de resonancia magnética . Los experimentos han demostrado que las corrientes en bobinas superconductoras pueden persistir durante años sin ninguna degradación medible. La evidencia experimental apunta a una vida útil de al menos 100.000 años. Las estimaciones teóricas para la vida útil de una corriente persistente pueden superar la vida útil estimada del universo, dependiendo de la geometría del cable y la temperatura. [5] En la práctica, las corrientes inyectadas en bobinas superconductoras persistieron durante 28 años, 7 meses, 27 días en un gravímetro superconductor en Bélgica, desde el 4 de agosto de 1995 hasta el 31 de marzo de 2024. [42] [43] En tales instrumentos, la medición se basa en el seguimiento de la levitación de una esfera superconductora de niobio con una masa de cuatro gramos.

En un conductor normal, una corriente eléctrica puede visualizarse como un fluido de electrones que se mueven a través de una red iónica pesada. Los electrones chocan constantemente con los iones en la red y, durante cada colisión, parte de la energía transportada por la corriente es absorbida por la red y convertida en calor , que es esencialmente la energía cinética vibracional de los iones de la red. Como resultado, la energía transportada por la corriente se disipa constantemente. Este es el fenómeno de la resistencia eléctrica y el calentamiento Joule .

La situación es diferente en un superconductor. En un superconductor convencional, el fluido electrónico no se puede descomponer en electrones individuales. En cambio, consiste en pares de electrones ligados conocidos como pares de Cooper . Este emparejamiento es causado por una fuerza de atracción entre electrones a partir del intercambio de fonones . Este emparejamiento es muy débil y pequeñas vibraciones térmicas pueden fracturar el enlace. Debido a la mecánica cuántica , el espectro de energía de este fluido de par de Cooper posee una brecha de energía , lo que significa que hay una cantidad mínima de energía Δ E que debe suministrarse para excitar el fluido. Por lo tanto, si Δ E es mayor que la energía térmica de la red, dada por kT , donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura , el fluido no será dispersado por la red. [44] El fluido de par de Cooper es, por lo tanto, un superfluido , lo que significa que puede fluir sin disipación de energía.

En la clase de superconductores conocidos como superconductores de tipo II , que incluyen todos los superconductores de alta temperatura conocidos , aparece una resistividad extremadamente baja pero distinta de cero a temperaturas no muy inferiores a la transición superconductora nominal cuando se aplica una corriente eléctrica junto con un campo magnético fuerte, que puede ser causado por la corriente eléctrica. Esto se debe al movimiento de vórtices magnéticos en el superfluido electrónico, que disipa parte de la energía transportada por la corriente. Si la corriente es suficientemente pequeña, los vórtices son estacionarios y la resistividad desaparece. La resistencia debida a este efecto es minúscula en comparación con la de los materiales no superconductores, pero debe tenerse en cuenta en experimentos sensibles. Sin embargo, a medida que la temperatura disminuye lo suficiente por debajo de la transición superconductora nominal, estos vórtices pueden congelarse en una fase desordenada pero estacionaria conocida como "vidrio de vórtice". Por debajo de esta temperatura de transición vítrea de vórtice, la resistencia del material se vuelve verdaderamente cero.

Transición de fase

Comportamiento de la capacidad térmica ( c v , azul) y la resistividad ( ρ , verde) en la transición de fase superconductora

En los materiales superconductores, las características de la superconductividad aparecen cuando la temperatura T se reduce por debajo de una temperatura crítica T c . 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. El mercurio sólido , por ejemplo, tiene una temperatura crítica de 4,2 K. A partir de 2015, la temperatura crítica más alta encontrada para un superconductor convencional es 203 K para H 2 S, aunque se requirieron altas presiones de aproximadamente 90 gigapascales. [45] Los superconductores de cuprato pueden tener temperaturas críticas mucho más altas: YBa 2 Cu 3 O 7 , uno de los primeros superconductores de cuprato en ser descubierto, tiene una temperatura crítica por encima de 90 K, y se han encontrado cupratos a base de mercurio con temperaturas críticas superiores a 130 K. El mecanismo físico básico responsable de la alta temperatura crítica aún no está claro. Sin embargo, está claro que se trata de un apareamiento de dos electrones, aunque la naturaleza del apareamiento ( onda vs. onda) sigue siendo controvertida. [46]

De manera similar, a una temperatura fija por debajo de la temperatura crítica, los materiales superconductores dejan de ser superconductores cuando se les aplica un campo magnético externo que es mayor que el campo 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 a la raíz cuadrada de la diferencia de las energías libres en el campo magnético cero), las dos energías libres serán iguales y se producirá una transición de fase a la fase normal. De manera más general, una temperatura más alta y un campo magnético más fuerte conducen a una fracción más pequeña de electrones que son superconductores y, en consecuencia, a una mayor profundidad de penetración de London de los campos magnéticos externos y las corrientes. La profundidad de penetración se vuelve infinita en la transición de fase.

El inicio de la superconductividad va acompañado de cambios abruptos en varias propiedades físicas, lo que es el sello distintivo de una transición de fase . Por ejemplo, la capacidad térmica electrónica es proporcional a la temperatura en el régimen normal (no superconductor). En la transición superconductora, sufre un salto discontinuo y luego deja de ser lineal. A bajas temperaturas, varía en cambio como e − α / T para una constante, α . Este comportamiento exponencial es una de las pruebas de la existencia de la brecha energética .

El orden de transición de fase superconductora ha sido motivo de debate durante mucho tiempo. Los experimentos indican que la transición es de segundo orden, lo que significa que no hay calor latente . Sin embargo, en presencia de un campo magnético externo sí hay calor latente, porque la fase superconductora tiene una entropía menor por debajo de la temperatura crítica que la fase normal. Se ha demostrado experimentalmente [47] que, como consecuencia, cuando el campo magnético aumenta más allá del campo crítico, la transición de fase resultante conduce a una disminución de la temperatura del material superconductor.

Los cálculos de la década de 1970 sugirieron que en realidad podría ser débilmente de primer orden debido al efecto de fluctuaciones de largo alcance en el campo electromagnético. En la década de 1980 se demostró teóricamente con la ayuda de una teoría de campo desordenado, en la que las líneas de vórtice del superconductor juegan un papel importante, que la transición es de segundo orden dentro del régimen de tipo II y de primer orden (es decir, calor latente ) dentro del régimen de tipo I , y que las dos regiones están separadas por un punto tricrítico . [48] Los resultados fueron fuertemente respaldados por simulaciones por computadora de Monte Carlo. [49]

Efecto Meissner

Efecto Meissner en un superconductor de alta temperatura (pastilla negra) con un imán de NdFeB (metálico)

Cuando un superconductor se coloca en un campo magnético externo débil H y se enfría por debajo de su temperatura de transición, el campo magnético se expulsa. El efecto Meissner no hace que el campo se expulse por completo, sino que el campo penetra en el superconductor, pero solo hasta una distancia muy pequeña, caracterizada por un parámetro  λ , llamado profundidad de penetración de London , que decae exponencialmente hasta cero dentro de la masa del material. El efecto Meissner es una característica definitoria de la superconductividad. Para la mayoría de los superconductores, la profundidad de penetración de London es del orden de 100 nm.

El efecto Meissner se confunde a veces con el tipo de diamagnetismo que se esperaría en un conductor eléctrico perfecto: según la ley de Lenz , cuando se aplica un campo magnético cambiante a un conductor, se inducirá una corriente eléctrica en el conductor que crea un campo magnético opuesto. En un conductor perfecto, se puede inducir una corriente arbitrariamente grande y el campo magnético resultante cancela exactamente el campo aplicado.

El efecto Meissner es distinto de esto: es la expulsión espontánea que ocurre durante la transición a la superconductividad. Supongamos que tenemos un material en su estado normal, que contiene un campo magnético interno constante. Cuando el material se enfría por debajo de la temperatura crítica, observaríamos la expulsión abrupta del campo magnético interno, lo que no esperaríamos según la ley de Lenz.

El efecto Meissner recibió una explicación fenomenológica de los hermanos Fritz y Heinz London , quienes demostraron que la energía libre electromagnética en un superconductor se minimiza siempre que H sea el campo magnético y λ sea la profundidad de penetración de London.

Esta ecuación, conocida como ecuación de London , predice que el campo magnético en un superconductor decae exponencialmente a partir de cualquier valor que posea en la superficie.

Un superconductor con poco o ningún campo magnético en su interior se dice que está en el estado Meissner. El estado Meissner se rompe cuando el campo magnético aplicado es demasiado grande. Los superconductores se pueden dividir en dos clases según cómo se produce esta ruptura. En los superconductores de Tipo I, la superconductividad se destruye abruptamente cuando la intensidad del campo aplicado aumenta por encima de un valor crítico H c . Dependiendo de la geometría de la muestra, se puede obtener un estado intermedio [50] que consiste en un patrón barroco [51] de regiones de material normal que llevan un campo magnético mezclado con regiones de material superconductor que no contienen campo. En los superconductores de Tipo II, aumentar el campo aplicado más allá de un valor crítico H c1 conduce a un estado mixto (también conocido como estado de vórtice) en el que una cantidad creciente de flujo magnético penetra el material, pero no sigue habiendo resistencia al flujo de corriente eléctrica siempre que la corriente no sea demasiado grande. En una segunda intensidad de campo crítica H c2 , se destruye la superconductividad. El estado mixto es causado en realidad por vórtices en el superfluido electrónico, a veces llamados fluxones porque el flujo transportado por estos vórtices está cuantizado . La mayoría de los superconductores elementales puros , excepto el niobio y los nanotubos de carbono , son de tipo I, mientras que casi todos los superconductores compuestos e impuros son de tipo II.

Momento londinense

Por el contrario, un superconductor giratorio genera un campo magnético, alineado con precisión con el eje de giro. El efecto, el momento de London, se aprovechó muy bien en Gravity Probe B. Este experimento midió los campos magnéticos de cuatro giroscopios superconductores para determinar sus ejes de giro. Esto fue fundamental para el experimento, ya que es una de las pocas formas de determinar con precisión el eje de giro de una esfera que, de otro modo, no tendría rasgos distintivos.

Superconductividad de alta temperatura

Cronología de los materiales superconductores. Los colores representan diferentes clases de materiales:

Hasta 1986, los físicos habían creído que la teoría BCS prohibía la superconductividad a temperaturas superiores a unos 30 K. En ese año, Bednorz y Müller descubrieron la superconductividad en el óxido de cobre, bario y lantano (LBCO), un material de perovskita de cuprato basado en lantano , que tenía una temperatura de transición de 35 K (Premio Nobel de Física, 1987). [7] Pronto se descubrió que reemplazar el lantano con itrio (es decir, hacer YBCO) elevaba la temperatura crítica por encima de los 90 K. [52]

Este salto de temperatura tiene una importancia particular para la ingeniería, ya que permite utilizar nitrógeno líquido como refrigerante, en sustitución del helio líquido. [52] El nitrógeno líquido se puede producir de forma relativamente barata, incluso in situ. Las temperaturas más altas ayudan además a evitar algunos de los problemas que surgen a temperaturas de helio líquido, como la formación de tapones de aire congelado que pueden bloquear las líneas criogénicas y provocar una acumulación de presión imprevista y potencialmente peligrosa. [53] [54]

Desde entonces se han descubierto muchos otros superconductores de cuprato, y la teoría de la superconductividad en estos materiales es uno de los principales desafíos pendientes de la física teórica de la materia condensada . [55] [56] Actualmente hay dos hipótesis principales: la teoría del enlace de valencia resonante y la fluctuación de espín, que tiene el mayor apoyo en la comunidad de investigación. [57] La ​​segunda hipótesis propuso que el apareamiento de electrones en superconductores de alta temperatura está mediado por ondas de espín de corto alcance conocidas como paramagnones . [58] [59] [ dudoso – discutir ]

En 2008, Gubser, Hartnoll, Herzog y Horowitz propusieron la superconductividad holográfica, que utiliza la dualidad holográfica o teoría de correspondencia AdS/CFT , como una posible explicación de la superconductividad de alta temperatura en ciertos materiales. [60]

Desde aproximadamente 1993, el superconductor de temperatura más alta conocido era un material cerámico compuesto de mercurio, bario, calcio, cobre y oxígeno (HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ ) con T c = 133–138 K . [61] [62]

En febrero de 2008, se descubrió una familia de superconductores de alta temperatura basados ​​en hierro. [63] [64] Hideo Hosono, del Instituto de Tecnología de Tokio , y sus colegas encontraron lantano oxígeno flúor hierro arseniuro (LaO 1−x F x FeAs), un oxipnictido que superconduce por debajo de los 26 K. Reemplazar el lantano en LaO 1− x F x FeAs con samario conduce a superconductores que funcionan a 55 K. [65]

En 2014 y 2015, el sulfuro de hidrógeno ( H
2S ) a presiones extremadamente altas (alrededor de 150 gigapascales) fue predicho por primera vez y luego confirmado como un superconductor de alta temperatura con una temperatura de transición de 80 K. [66] [67] [68] Además, en 2019 se descubrió que el hidruro de lantano ( LaH
10) se convierte en un superconductor a 250 K bajo una presión de 170 gigapascales. [69] [68]

En 2018, un equipo de investigación del Departamento de Física del Instituto Tecnológico de Massachusetts descubrió la superconductividad en el grafeno bicapa , con una capa torcida en un ángulo de aproximadamente 1,1 grados con enfriamiento y aplicación de una pequeña carga eléctrica. Incluso si los experimentos no se llevaron a cabo en un entorno de alta temperatura, los resultados se correlacionan menos con los superconductores clásicos pero de alta temperatura, dado que no es necesario introducir átomos extraños. [70] El efecto de superconductividad se produjo como resultado de electrones torcidos en un vórtice entre las capas de grafeno, llamados " skyrmions ". Estos actúan como una sola partícula y pueden emparejarse a lo largo de las capas de grafeno, lo que genera las condiciones básicas necesarias para la superconductividad. [71]

En 2020, en un artículo publicado en Nature se describió un superconductor a temperatura ambiente (temperatura crítica 288 K) hecho de hidrógeno, carbono y azufre bajo presiones de alrededor de 270 gigapascales . [72] [73] Sin embargo, en 2022 los editores retiraron el artículo porque se había puesto en duda la validez de los procedimientos de sustracción del fondo. Los nueve autores sostienen que los datos brutos respaldan firmemente las principales afirmaciones del artículo. [74]

El 31 de diciembre de 2023 se publicó "Global Room-Temperature Superconductivity in Graphite" en la revista "Advanced Quantum Technologies" afirmando que se ha demostrado la superconductividad a temperatura ambiente y presión ambiental en grafito pirolítico altamente orientado con densas matrices de defectos lineales casi paralelos. [75]

Aplicaciones

Vídeo de la levitación superconductora del YBCO

Los superconductores son materiales candidatos prometedores para diseñar elementos de circuitos fundamentales de tecnologías electrónicas, espintrónicas y cuánticas. Un ejemplo de ello es un diodo superconductor, [76] en el que la supercorriente fluye en una sola dirección, que promete tecnologías híbridas superconductoras sin disipación y semiconductoras-superconductoras.

Los imanes superconductores son algunos de los electroimanes más potentes que se conocen. Se utilizan en máquinas de resonancia magnética / resonancia magnética nuclear , espectrómetros de masas , imanes de dirección de haz utilizados en aceleradores de partículas e imanes de confinamiento de plasma en algunos tokamaks . También se pueden utilizar para la separación magnética, donde las partículas débilmente magnéticas se extraen de un fondo de partículas menos magnéticas o no magnéticas, como en las industrias de pigmentos . También se pueden utilizar en grandes turbinas eólicas para superar las restricciones impuestas por las altas corrientes eléctricas, habiéndose probado con éxito en Dinamarca un generador de molino de viento superconductor de 3,6 megavatios de grado industrial. [77]

En las décadas de 1950 y 1960, se utilizaron superconductores para construir computadoras digitales experimentales utilizando interruptores criotrones . [78] Más recientemente, se han utilizado superconductores para fabricar circuitos digitales basados ​​en tecnología cuántica de flujo único rápido y filtros de RF y microondas para estaciones base de telefonía móvil .

Los superconductores se utilizan para construir uniones Josephson , que son los componentes básicos de los SQUID (dispositivos superconductores de interferencia cuántica), los magnetómetros más sensibles conocidos. Los SQUID se utilizan en microscopios SQUID de barrido y magnetoencefalografía . Se utilizan series de dispositivos Josephson para realizar el voltio SI . Los detectores de fotones superconductores [79] se pueden realizar en una variedad de configuraciones de dispositivo. Dependiendo del modo particular de operación, una unión Josephson superconductora-aislante-superconductora se puede utilizar como detector de fotones o como mezclador . El gran cambio de resistencia en la transición del estado normal al superconductor se utiliza para construir termómetros en detectores de fotones de microcalorímetros criogénicos. El mismo efecto se utiliza en bolómetros ultrasensibles hechos de materiales superconductores. Los detectores de fotón único de nanocables superconductores ofrecen detección de fotón único de alta velocidad y bajo ruido y se han empleado ampliamente en aplicaciones avanzadas de conteo de fotones . [80]

Están surgiendo otros mercados en los que las ventajas relativas de eficiencia, tamaño y peso de los dispositivos basados ​​en superconductividad de alta temperatura superan los costos adicionales que implican. Por ejemplo, en las turbinas eólicas, el menor peso y volumen de los generadores superconductores podría generar ahorros en los costos de construcción y de la torre, compensando los costos más altos del generador y reduciendo el costo nivelado total de la electricidad (LCOE). [81]

Las aplicaciones futuras prometedoras incluyen redes inteligentes de alto rendimiento , transmisión de energía eléctrica , transformadores , dispositivos de almacenamiento de energía , dispositivos compactos de energía de fusión , motores eléctricos (por ejemplo, para propulsión de vehículos, como en vactrains o trenes maglev ), dispositivos de levitación magnética , limitadores de corriente de falla , mejora de dispositivos espintrónicos con materiales superconductores, [82] y refrigeración magnética superconductora . Sin embargo, la superconductividad es sensible a los campos magnéticos en movimiento, por lo que las aplicaciones que utilizan corriente alterna (por ejemplo, transformadores) serán más difíciles de desarrollar que las que dependen de la corriente continua . En comparación con las líneas eléctricas tradicionales, las líneas de transmisión superconductoras son más eficientes y requieren solo una fracción del espacio, lo que no solo conduciría a un mejor desempeño ambiental sino que también podría mejorar la aceptación pública para la expansión de la red eléctrica. [83] Otro aspecto industrial atractivo es la capacidad de transmisión de alta potencia a voltajes más bajos. [84] Los avances en la eficiencia de los sistemas de enfriamiento y el uso de refrigerantes baratos como el nitrógeno líquido también han disminuido significativamente los costos de enfriamiento necesarios para la superconductividad.

Premios Nobel

Hasta 2022, ha habido cinco Premios Nobel de Física por temas relacionados con la superconductividad:

Véase también

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