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Superconductividad
JOSÉ LUIS VICENT LÓPEZ *
D
ESDE hace unos meses, menos de un año, no resulta extraño encontrarse en las páginas
de los periódicos de información general noticias relacionadas con la
Superconductividad. Es fácil entender por qué ha sido tan rápido el
salto del laboratorio a la prensa no especializada: un cable
superconductor no consume energía cuando sirve para transportar
corriente eléctrica, no se calienta y nunca se fundirían los plomos
en una instalación super-conductora. Por ejemplo, en las
condiciones adecuadas, una corriente superconductora en un
anillo puede mantenerse durante años. Además, y esta es la gran
novedad, resulta muy barata la Superconductividad actual,
comparada con la Superconductividad conocida hace sólo unos
meses.
Se empezará intentando describir, de la manera más clara posible, en qué consiste el efecto desde el punto de vista físico; después
se hará un breve recorrido histórico hasta el momento actual, deteniéndonos, especialmente, en los últimos acontecimientos, y, finalmente, se terminará con un breve análisis de las aplicaciones de
este efecto.
El autor de estas líneas es plenamente consciente de que es
necesario encontrar un camino, un lenguaje, que no suma en la
perplejidad y el desconcierto al confiado o desconfiado lector, que,
si llega al final, además de mejor informado no se haya sentido
incómodo, y si la lectura ha resultado entretenida, todavía mejor.
LA SUPERCONDUCTIVIDAD
COMO FENÓMENO
FÍSICO
* Madrid, 1949. Profesor titular del Departamento de Física de Materiales de la Universidad Complutense.
Todo el mundo tiene el hábito de encender una lámpara, pero
casi nadie se para a pensar qué fenómenos tienen que ocurrir para
que se encienda la bombilla; la experiencia nos dice que damos al
interruptor y ya está. Ahora bien, se sabe que pasa corriente eléctrica por la lámpara, se calienta el filamento y éste produce luz. Si
nos preguntásemos qué es la luz, la respuesta dependería de la
actividad profesional, educación, humor, etc., de cada uno, pero
sólo si se trata de un físico, podríamos tener una respuesta perfecta,
quizá menos bonita y quizá menos cierta que la de un poeta, por
ejemplo, pero sí una respuesta completa, total. Se sabe perfectamente cómo se produce, cómo se propaga, cómo desaparece y
otras muchas cosas, como, por ejemplo, qué son los colores, etc.
La luz es un fenómeno perfectamente conocido desde el punto de
vista científico.
Ahora bien, volviendo a la lámpara, la electricidad, que es
como se conoce el paso de materia eléctricamente cargada, generalmente electrones, por el cable es algo, por el contrario, más
sutil, más difícil de explicar que la luz, desde el punto de vista
físico, por una razón bien sencilla: la materia es un tema todavía
abierto, aunque la experiencia diaria nos familiarice más en la
materia, algo que se toca, que con la luz algo casi mágico, que no
se puede tocar, palpar. Pues bien, vamos a intentar explicar un
fenómeno físico que se produce en los sólidos y en el que juegan
un papel principal interacciones entre distintas partículas o paquetes de energía, si se quiere, que forman la materia, por lo tanto
algo difícil, un poco vago, algo no del todo bien determinado.
Todo esto que antecede es decirle al lector: no se preocupe si
algo se le escapa, no se inquiete, si no termina de entenderlo,
vamos a intentarlo, pero sepa que lo más que pueden hacer los
especialistas es aproximaciones al tema, muy buenas, que permiten
predecir muchas cosas, pero siempre con un componente de
indeterminación muy real. ¿Qué es un electrón?, pues depende de
cómo se comporte; puede ser como una onda o como un corpúsculo, o quizá no sea ninguna de las dos cosas, en realidad qué
más da. Lo que sí sabemos experimentalmente es que la materia,
un sólido, está formado por un conjunto de partículas, entre ellas
electrones, que forman agrupaciones llamadas átomos que se disponen ordenadamente, con una simetría dada; es lo que se llama
un cristal. Una digresión técnica; curiosamente, cuando un físico
dice un cristal, está diciendo justo lo contrario de lo que cualquiera
entiende por cristal. Un vaso, una ventana son vidrios, no cristales;
un trozo de cobre, por ejemplo, es un cristal donde los átomos
están perfectamente ordenados, mientras que en un vidrio no
existe tal orden.
Hay algunos cristales donde los átomos tienen todas las partículas perfectamente fijadas, sin dejar que se alejen mucho de su
posición; estos sólidos son aislantes. Por el contrario, existen otros
cristales cuyos átomos permiten a algunos electrones circular libremente por todo el cristal; estos sólidos son los conductores. Si de
alguna manera invitamos a los electrones a moverse en la misma
dirección, estamos produciendo una corriente eléctrica, estamos
transportando en realidad energía de un extremo a otro del cable.
Para seguir adelante, vamos a hacer una comparación para
entender por qué los electrones de conducción, que es como se
llaman los electrones que se mueven, en su movimiento encuentran dificultades al avanzar, calientan el material y gastan, por
tanto, parte de la energía que llevan. El movimiento de estos electrones es semejante al de un ejembre de abejas que se mueven en
un panal, pero de una manera especial. Todo el conjunto de abejas
avanza a pequeña velocidad en una dirección, mientras que
dentro del conjunto, cada abeja se mueve a mucha mayor velocidad, zumbando en todas direcciones y cada vez que, en estos movimientos, se acerca a una de las paredes del panal, tiene que
frenar y cambiar de dirección. Eso hace que el movimiento de los
electrones de conducción, debido a la agitación térmica, es el azar,
EL
COMPORTAMIENTO
DÉLOS ELECTRONES
a grandes velocidades y en todas las direcciones, cuando, además,
se aplica al metal un campo eléctrico, se produce un movimiento
de arrastre con una velocidad resultante pequeña en una dirección
determinada de todos los electrones en bloque que constituye la
corriente eléctrica. La resistencia aparece cuando los electrones de
conducción ven a los iones de la red, interaccionan con ellos y
cambian su movimiento.
Por debajo de una cierta temperatura y en ciertos metales, parte
de los electrones de conducción, del orden del 1 por mil, se
mueven de una manera coherente muy particular. Volviendo al
enjambre de abejas, es como si las abejas se moviesen por parejas,
unas parejas que no necesitan estar cerca; en realidad, están muy
lejos unas de otras, y de tal manera que si, por cualquier causa,
alguna de ellas choca, la otra rectifica su movimiento compensando lo anterior y haciendo que el conjunto no se entere. En el caso
de electrones, se forman parejas, llamadas de Cooper, con electrones muy alejados unos de otros. Estas parejas forman un estado
fundamental colectivo, de tal manera, que no existe la posibilidad
de que un electrón cambie, es decir, dé lugar a resistencia si no es
rompiéndose los pares, y para romper los pares hace falta suministrar energía.
Hemos mencionado de pasada un aspecto fundamental: el
efecto de la Superconductividad ocurre únicamente a muy baja
temperatura. Si hiciésemos una tabla con el número de materiales
superconductores, nos encontraríamos con que la mayoría de ellos
lo son para temperaturas por debajo de -269°C, siendo la temperatura más alta conocida hasta septiembre del 86 de -250°C (las
temperaturas de los nuevos superconductores son de -178°C). Se
sabe desde principios de siglo lo que hay que hacer para obtener y
mantener temperaturas tan bajas; ahora bien, además de ser una
técnica difícil de manejar, requiere la utilización del gas He, que es
caro por ser muy escaso. Por lo tanto, el transporte sin gasto de
energía, por medio de superconductores, no resulta fácil ni rentable. A pesar de ello, la Superconductividad es una tecnología ya
preparada, que, como veremos al final, sólo necesitaba ser competitiva económicamente para poder ser aprovechada.
Pasar de -269°C a -178°C puede parecer al lector no especializado algo completamente anecdótico, pero es pasar de tener que
utilizar He (-269°C) a tener que licuar Nitrógeno (-196°C). Nitrógeno tenemos todo el que queramos en la atmósfera, en el aire que
respiramos, y su manejo es, además, mucho más simple que el del
Helio (He) líquido.
UNA BREVE
HISTORIA DE LA
SUPERCONDUCTIVIDAD
La historia de la Superconductividad va ligada, como se puede
fácilmente adivinar, al desarrollo de las bajas temperaturas.
A principios de siglo (1908), un profesor de la Universidad de
Leiden (Holanda), Heike Kamerlingh Onnes construía el primer
licuefactor de He y conseguía alcanzar -269°C. Unos pocos años
después, en 1911, uno de sus estudiantes, intentando medir la
resistencia al paso de corriente eléctrica a -269°C en mercurio,
encontró que era nula, como si se tratase de un cortocircuito. Se
cumplieron, pues, 75 años en 1986 desde que se puso en marcha el
campo de la Superconductividad. En 1986, Muller y Bednorz, de
los laboratorios IBM en Zurich, pusieron la primera piedra para
que este efecto pueda algún día utilizarse industrialmente, como
veremos unas líneas más adelante.
Desde 1911, el avance en el tema ha sido extraordinario. La
Superconductividad es uno de los efectos de la Física de Estado
Sólido que más éxitos ha conseguido. Hace 30 años que John
Bardeen, León Cooper y Robert Schrieffer, del Instituto Tecnológico de Illinois, desarrollaron la llamada teoría BCS que explica,
de una manera brillante y completa, la Superconductividad. Hay
que destacar la personalidad científica de John Bardeen, la única
persona que ha recibido dos veces el premio Nobel de Física, la
primera de ellas por el descubrimiento del transistor, cuando trabajaba en los laboratorios de la ATT (los famosos Bell Laboratories), y la segunda vez por explicar la Superconductividad. Resulta
admirable que, de vez en cuando, todavía al leer revistas de Física
aparezcan trabajos originales y de gran calidad del profesor Bardeen. Volviendo a la Superconductividad, después de esta digresión alrededor de Bardeen, hay que resaltar que ocho científicos
han recibido el premio Nobel por trabajos relacionados directamente con la Superconductividad, entre ellos recientemente
Mü-ller y Bednorz por el descubrimiento de los superconductores
de alta temperatura.
La Superconductividad parecía, dentro de la Física de Estado
Sólido, algo bien asentado, un edificio prácticamente terminado,
donde los numerosos investigadores que trabajan en el campo se
dedicaban a temas más o menos laterales, como los llamados superconductores exóticos (materiales complicados) o a Superconductividad en condiciones extremas. Los fracasos en el tema crucial de subir la temperatura por debajo de la cual el material es
superconductor, han sido notables; además, la teoría de la Superconductividad (BCS), aunque con matices, indicaba que la temperatura máxima posible era de -233°C, muy por debajo del número
mágico de - 196°C, donde se podría utilizar Nitrógeno, con el abaratamiento de todo el proceso. Pues bien, en abril de 1986, Müller y
Bednorz encuentran un nuevo compuesto de color negro, sin nada
de brillo (lo menos parecido a un metal), cuya temperatura
superconductora era de -238°C, todavía muy lejos de nuestro número mágico, pero con la novedad de ser un compuesto de una
nueva familia. El resultado de Müller y Bednorz se publica en una
revista alemana en septiembre de 1986. En enero de 1987, un
grupo de físicos chinos de la universidad de Houston (Chu, Hor,
Meng, Gao y Wang) publica, en la revista de la Sociedad Americana
de Física, un nuevo compuesto con una temperatura superconductora de -180°C, muy por encima de la temperatura del Nitrógeno líquido (-196°C); la barrera psicológica estaba rota. Lo que
ha venido después pertenece más que a la ciencia, a un fenómeno
sociológico. Al principio, una cierta incredulidad; por ejemplo,
uno de los grupos pioneros en el campo publicaba el 26 de enero
de 1987 un artículo cuyo resumen empezaba: «Una aparente transición superconductora ha sido observada...», el mismo grupo, el 2
de marzo en otro artículo empezaba: «Una transición superconductora estable y reproducible ha sido observada sin ambigüedades...»
Después de esto, prácticamente todo el mundo en Física del
Estado Sólido ha parado lo que estaba haciendo y se ha pasado a la
Física de los Superconductores; seminarios, reuniones, congresos,
llamadas telefónicas, telefax, viajes, etc. Es difícil poder valorar la
huella que sobre la comunidad científica va a suponer este descubrimiento. Por lo pronto, o bien hay que buscar una nueva teoría, o
bien puede que baste con, digamos, mirar de otra forma la vieja
teoría BCS; pero lo que es más importante, el reto de conseguir
Superconductividad a temperatura ambiente o cerca es algo que
está presente en todo el mundo. Un claro ejemplo: en la revista de
divulgación de la Sociedad Americana de Física, en el número de
septiembre de 1987, se recogía una noticia que empezaba así: «El
presidente Reagan habló de revolución y sorprendentemente era
para darle la bienvenida», y continuaba más adelante contando
que Reagan decía «...el salto en la Superconductividad nos conduce
al umbral de una nueva era». Para políticos, economistas, científicos, etc., la nueva Superconductividad ha supuesto una auténtica
revolución.
Antes de pasar a resumir las aplicaciones de la Superconductividad, unas líneas sobre el impacto de estos nuevos materiales en
la investigación en Física del Estado Sólido en España. Hay que
resaltar que, aunque, desgraciadamente, no existía en el país ningún grupo haciendo investigación en Superconductividad de una
manera sistemática, la rapidez de respuesta de la comunidad científica española ha sido asombrosa. Así, en marzo-abril de 1987, un
esfuerzo conjunto de los Departamentos de Química Inorgánica,
Física de Materiales de la Universidad Complutense y Física de la
Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid, obtenían, en el momento preciso y en competencia con laboratorios
con mayor tradición y mejores medios, resultados originales que
fueron aceptados en abril para ser publicados en una de las revistas
americanas más prestigiosas en Física del Estado Sólido.
El esfuerzo no ha decaído sino que ha aumentado, y en el
Congreso sobre Superconductores de Alta Temperatura y sus
Aplicaciones Potenciales, organizado por la Comisión de las Comunidades Europeas, celebrado en Genova el 1, 2 y 3 de julio, del
total de las comunicaciones presentadas, no sólo de países del
Mercado Común, sino de toda Europa, el 10 % eran trabajos de
centros españoles, como las Universidades Complutense y Autónoma de Madrid, Santiago de Compostela, Zaragoza, Barcelona,
Valencia y el CSIC, lo cual, dado el punto de partida, resulta algo
asombroso.
APLICACIONES
En cuanto a las aplicaciones de la Superconductividad, hay
que subrayar que un efecto descubierto hace 75 años, sobre el que
se ha trabajado muchísimo, es ya una tecnología en marcha, eso sí,
cara. Los nuevos superconductores, como ya se ha indicado, abaratarían enormemente muchos de los campos de aplicación.
Es claro que todo lo relacionado con el transporte de electricidad, o sea, prácticamente casi todo, es una aplicación potencial de
la Superconductividad. Actualmente muchas de las técnicas de
análisis en Química, algunas técnicas de diagnóstico en Medicina,
utilizan el efecto. El tema de la Fusión como fuente inagotable y
limpia de energía, actualmente en fase de investigación, necesita
igualmente utilizar la Superconductividad. Para muchas medidas
precisas de patrones o de señales muy débiles se utilizan efectos
superconductores.
Existe
una
incipiente
electrónica
superconduc-tora, etcétera.
Todos estos efectos y otros más, como por ejemplo transporte
público utilizando levitación, podrían ser económicamente factibles, si con estos nuevos superconductores se consigue saltar la
zanja, que siempre existe, entre el laboratorio y la industria. En
este caso de los superconductores nuevos existen algunas dificultades, pero dado el esfuerzo mundial que se está desarrollando, no
cabe la menor duda que se podrán vencer; ahora es difícil predecir
en cuánto tiempo. Uno de los principales problemas es que estos
materiales son cerámicos, esto es que son frágiles y no se puede
trabajar fácilmente con ellos, esto es, formar hilos, planchas, etc.
Es difícil poder predecir el desarrollo de este campo que ha
irrumpido de una manera tan fuerte y tan inesperada. Para los
investigadores en Física del Estado Sólido o Física de Materiales, la
sorpresa ha sido enorme. Por ejemplo, los descubridores de la
nueva familia de superconductores, Müller y Bednorz, son dos
científicos que trabajan en óxidos cerámicos y parece ser que lo
que buscaban eran óxidos conductores, pero desde luego no estaban dentro del campo de la Superconductividad. Hay que señalar
que unos años antes, un químico francés de la Universidad de
Caen, Raveau, preparó e hizo medidas con el primer compuesto
de la familia, el conocido como BalaCuO, pero no bajó suficientemente la temperatura y por unos 20 grados no vio el efecto superconductor.
Con estos antecedentes, un compuesto que ya se conocía, por
Raveau, unas medidas realizadas por personas ajenas a la Superconductividad, Müller y Bednorz, resulta arriesgado predecir cuáles van a ser los pasos siguientes. Sí se puede prever sin miedo a
equivocarse, que dada la enorme cantidad de investigadores y laboratorios de primerísima calidad envueltos en este tema, en breve
tiempo la cantidad y calidad de los datos con que se cuente permitirá tener una visión más acertada de qué es lo que se puede pedir a
estos compuestos y en qué dirección hay que moverse para obtener
temperaturas cada vez más altas.
Resulta, desde luego, indispensable que, además de caracterizar
muy bien los compuestos y obtenerlos con la máxima pureza, se
conozca cuanto antes el mecanismo responsable del efecto. Los
físicos teóricos tienen ahora la palabra, y también nadie duda que
se están divirtiendo porque, en menos de un año, ya hay 18 teorías.
En cuanto a las aplicaciones, una vez salvadas dificultades de
tipo metalúrgico de preparación de cables y láminas y de la estabilidad de los compuestos, dado que los elementos que los constituyen son razonablemente abundantes y económicos, no parece que
pase mucho tiempo sin que se comience a pensar en su utilización
fuera del laboratorio. Ahora, en un tema que como estamos viendo
cambia a gran velocidad, resulta arriesgado hablar de ningún
plazo, sobre todo cuando las decisiones finales no están en manos
de los científicos, ni posiblemente en las suyas, amable lector.
PERSPECTIVAS DE
LOS NUEVOS
SUPERCONDUCTORES