¿Qué es (y cómo funciona) la superconductividad?

Como sabemos, en los metales y aleaciones, la resistividad (el grado de dificultad que encuentran los materiales en sus desplazamientos) del material aumenta con la temperatura, y disminuye con ésta, de forma casi lineal. Sin embargo, en los superconductores, en temperaturas cercanas al cero absoluto (0 K) se produce un descenso brusco de la resistividad. La resistividad es entonces nula. Pese a la nula resistividad, la conductividad no es infinita (algo deducible de la fórmula matemática de la conductividad).

Es decir, que siendo la conductividad la facilidad de un material para el movimiento de electrones a través de él, la superconductividad se dará cuando los electrones no encuentren oposición a su paso por el material conductor (o apenas lo hagan, teóricamente es imposible alcanzar una conductividad del 100%).

La superconductividad es, por tanto, una propiedad presente en muchos metales y algunas cerámicas, que aparece a bajas temperaturas, caracterizada por la pérdida de resistividad a partir de cierta temperatura característica de cada material, denominada temperatura crítica.

Los superconductores también presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnéticos. Lo cual provocará el efecto de levitación que observamos en la imagen:

Superconductor a temperaturas cercanas a 0 K

Por otro lado, nos falta la explicación del funcionamiento de los superconductores. Hay dos teorías al respecto. Una de ellas es la teoría BCS, brevemente explicada en la primera sección del trabajo,  y la otra la teoría Ginzburg – Landau.

Gráfico Resistividad - Temperatura, donde observamos claramente el descenso de la primera para bajas temperaturas en un superconductor.

Aviso para navegantes: la explicación de estas teorías no la simplifique ni para el trabajo, se habla de conceptos realmente complicados. Si sigues leyendo, te arriesgas a no entender casi nada de los escrito. De todos modos, sólo son dos párrafos, después se vuelven a tratar temas más "sencillos".

La teoría BCS nos dice que “la superconductividad se puede explicar como una aplicación del Condensado de Bose-Einstein. Sin embargo, los electrones son fermiones, por lo que no se les puede aplicar esta teoría directamente. La idea en la que se basa la teoría BCS es que los electrones se aparean formando un par de fermiones que se comporta como un bosón. Esta pareja se denomina par de Cooper y su enlace está justificado en las interacciones de los electrones entre sí mediada por la estructura cristalina del material”. Como podemos observar, requiere de conocimientos de mecánica cuántica mayores de los que disponemos, como a la hora de saber valorar la aplicación del Condensado de Bose – Einstein a la conductividad en temperaturas cercanas a 0 K. Pero por tener un breve acercamiento, y cito textualmente su explicación así como se hizo con la de la teoría BCS, diremos que “el condensado de Bose-Einstein es el estado de agregación de la materia que se da en ciertos materiales a muy bajas temperaturas. La propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las partículas del material pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental. El condensado es una propiedad cuántica que no tiene análogo clásico. Debido al Principio de exclusión de Pauli, sólo las partículas bosónicas pueden tener este estado de agregación. Esto quiere decir que los átomos se separan y forman iones. A la agrupación de partículas en ese nivel se le llama condensado de Bose-Einstein.” Es decir, que la teoría BCS se basa en la aplicación del condensado Bose – Einstein sobre la conductividad y resistividad de un material.

Tabla periódica con los elementos según su superconductividad

La otra teoría, la de Ginzburg – Landau, es mucho mejor para predecir las cualidades si los materiales a estudiar no son homogéneos, ya que la teoría BCS solo funciona cuando la banda de energía a estudiar es homogénea. Esta teoría trata de explicar el fenómeno de forma macroscópica, basándose en la ruptura de simetrías en la transición de fase. “La teoría se fundamenta en un cálculo variacional en el que se trata de minimizar la energía libre de Helmholtz con respecto a la densidad de electrones que se encuentran en el estado superconductor. Las condiciones para aplicar la teoría son

• las temperaturas manejadas tienen que estar cerca de la temperatura crítica, dado que se fundamenta en un desarrollo en serie de Taylor alrededor de T_c.
• La pseudofunción de onda Ψ, así como el potencial vector , tienen que variar suavemente.

Esta teoría predice dos longitudes características:

• longitud de penetración: es la distancia que penetra el campo magnético en el material superconductor

• longitud de coherencia: es el tamaño aproximado del par de Cooper”

Podemos hallar además, distintas clasificaciones entre los superconductores. Según la teoría que mejor los explique, se clasificarán en convencionales (explicables mediante la teoría BCS) y no convencionales (no se pueden explicar mediante la teoría BCS ni sus derivados).

Creo, no obstante, que la clasificación más importante para los superconductores es la que los divide en superconductores de tipo I, los que pasan bruscamente del estado superconductor al normal; y de tipo II, los cuales poseen un estado intermedio o mixto entre el superconductor y el normal.

La superconductividad es uno de los campos de la física más fascinantes del siglo XX. Pertenece a ese pequeño grupo de avances científicos capaces de cambiar la manera de vivir de la humanidad. Su gama de aplicaciones es amplísima, pero abarca esencialmente tres tipos: la generación de campos magnéticos intensos, la fabricación de cables de conducción de energía eléctrica y la electrónica. Dentro del primer tipo tenemos usos tan espectaculares como la fabricación de sistemas de transporte masivo levitados, esto es, trenes que flotan sobre sus rieles sin tener fricción con ellos, haciendo factible alcanzar las velocidades que desarrollan los aeroplanos. En el segundo está la posibilidad de transmitir energía eléctrica desde los centros de producción, como presas o reactores nucleares, hasta los centros de consumo, sin pérdidas de ningún tipo en el trayecto. Para el tercer tipo podemos mencionar la posibilidad de fabricar supercomputadoras extremadamente veloces, o cualquier artilugio electrónico con una autonomía y unas capacidades mucho mayores que en la actualidad.

No cabe duda de las aplicaciones de los superconductores en casi cualquier campo de la tecnología pero, ¿cómo funcionan? ¿Cómo explicamos su comportamiento? En este punto vamos a explicar las claves teóricas del comportamiento de los superconductores.

El uso de superconductores, como mencionábamos antes,  permite la transmisión de energía eléctrica sin pérdidas (o reduciéndolas al mínimo) o la fabricación de campos magnéticos intensos. Es donde quiero centrarme ahora.

Como sabréis, el LHC sufrió numerosos retrasos en sus fechas previstas inicialmente, de varios meses incluso, debido a problemas en la refrigeración. Estos problemas eran debidos a que no se podían mantener las bajas temperaturas de los superconductores lo suficientemente bajas como para que funcionaran a pleno rendimiento. Hay que tener en cuenta que una temperatura del superconductor un solo grado por encima de la adecuada puede dar lugar a pérdidas de energía considerables con todo lo que esto conlleva, no solo pérdidas económicas sino posibles daños por el calor cedido en el resto del sistema.

Tren magnético en Shanghái, el “maglev”

Con este ejemplo que he puesto, podemos ver el principal problema que tienen los superconductores actualmente: la necesidad de alcanzar temperaturas suficientemente bajas para hacerlos funcionar.

Aunque estas temperaturas son considerablemente más altas hoy en día que hace casi 100 años, cuando H.K. Onnes descubrió la superconductividad del mercurio a 4 K, sigue siendo costoso lograr alcanzar temperaturas tan bajas, de alrededor de -100º C en los más avanzados compuestos,  para alcanzar la superconducción. Es por ello que se considera la superconductividad uno de los campos de la ciencia, junto a la fusión nuclear, que puede causar una revolución tecnológica e industrial con mayor incidencia en el mundo.

En el caso de la fusión nuclear no es difícil de imaginar el por qué. Una fuente de energía prácticamente inagotable (su funcionamiento es el mismo que el que tiene el Sol), relativamente limpia (existen contaminantes, derivados principalmente de la necesidad de mantener una temperatura de mas de 1 millon de grados) y que tendría múltiples aplicaciones.

En el caso de los superconductores, su aplicación valdrá para cualquier campo de la tecnología: las mejoras en la transmisión de energía y la eliminación de pérdidas en forma de calor supondrán una mejora a nivel global de todo sistema que funcione por medio de corriente eléctrica. Ayudará también sin duda, a un mayor rendimiento en motores eléctricos, o incluso como ya se usa hoy en día, en la creación de trenes de levitación magnética. Es decir, nos ayudará a aprovechar mucho mejor la energía de la que disponemos, a menor coste, especialmente una vez se logre la superconducción a temperatura ambiente; de forma que podremos lograr ingenios más eficientes e incluso totalmente nuevos que son impensables hoy en día.

NOTA: Esta entrada es parte de un trabajo que hice no hace mucho, igual que la próxima sobre historia de la superconductividad. El lenguaje empleado es más complicado que lo habitual, aunque lo he simplificado y he explicado los términos "raros" tanto como me ha sido posible.