Los superconductores - Fondo de Cultura Económica

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Los superconductores
la
ciencia
para
todos
física
luis fernando
magaña solís
LOS SUPERCONDUCTORES
La Ciencia
para Todos
Desde el nacimiento de la colección de divulgación científica del
Fondo de Cultura Económica en 1986, ésta ha mantenido un ritmo
siempre ascendente que ha superado las aspiraciones de las personas
e instituciones que la hicieron posible. Los científicos siempre han
aportado material, con lo que han sumado a su trabajo la incursión
en un campo nuevo: escribir de modo que los temas más complejos y
casi inaccesibles puedan ser entendidos por los estudiantes y los lectores sin formación científica.
A los diez años de este fructífero trabajo se dio un paso adelante,
que consistió en abrir la colección a los creadores de la ciencia que se
piensa y crea en todos los ámbitos de la lengua española —y ahora
también del portugués—, razón por la cual tomó el nombre de La
Ciencia para Todos.
Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, a través de la mar océano, a
la Península Ibérica, está en marcha un ejército integrado por un
vasto número de investigadores, científicos y técnicos, que extienden
sus actividades por todos los campos de la ciencia moderna, la cual
se encuentra en plena revolución y continuamente va cambiando
nuestra forma de pensar y observar cuanto nos rodea.
La internacionalización de La Ciencia para Todos no es sólo en
extensión sino en profundidad. Es necesario pensar una ciencia
en nuestros idiomas que, de acuerdo con nuestra tradición humanista, crezca sin olvidar al hombre, que es, en última instancia, su fin.
Y, en consecuencia, su propósito principal es poner el pensamiento
científico en manos de nuestros jóvenes, quienes, al llegar su turno,
crearán una ciencia que, sin desdeñar a ninguna otra, lleve la impronta de nuestros pueblos.
Comité de selección de obras
Dr. Antonio Alonso
Dr. Francisco Bolívar Zapata
Dr. Javier Bracho
Dr. Juan Luis Cifuentes
Dra. Rosalinda Contreras
Dra. Julieta Fierro
Dr. Jorge Flores Valdés
Dr. Juan Ramón de la Fuente
Dr. Leopoldo García-Colín Scherer
Dr. Adolfo Guzmán Arenas
Dr. Gonzalo Halffter
Dr. Jaime Martuscelli
Dra. Isaura Meza
Dr. José Luis Morán López
Dr. Héctor Nava Jaimes
Dr. Manuel Peimbert
Dr. José Antonio de la Peña
Dr. Ruy Pérez Tamayo
Dr. Julio Rubio Oca
Dr. José Sarukhán
Dr. Guillermo Soberón
Dr. Elías Trabulse
Luis Fernando Magaña Solís
LOS SUPERCONDUCTORES
la
ciencia/64
para todos
Primera edición (La Ciencia desde México), 1988
Segunda edición (La Ciencia para Todos), 1997
Tercera edición,
2003
Cuarta edición,
2012
Magaña Solís, Luis Fernando
Los superconductores / Luis Fernando Magaña Solís ; — 4ª ed. — México : FCE, SEP,
Conacyt, 2012
166 p. ; 21 × 14 cm — (Colec. La Ciencia para Todos ; 64)
Texto para nivel medio y medio superior
ISBN 978-607-16-0933-5
1. Superconductividad 2. Física 3. Divulgación científica I. Ser. II t.
LC QC612.S8
Dewey 508.2 C569 V.64
Distribución mundial
La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica,
al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la
Secretaría de Educación Pública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.
Diseño de portada: Paola Álvarez Baldit
D. R. © 1988, Fondo de Cultura Económica
Carretera Picacho-Ajusco, 227; 14738 México, D. F.
Empresa certificada ISO 9001:2008
Comentarios: [email protected]
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el medio, sin la anuencia por escrito del titular de los derechos.
ISBN 978-607-16-0933-5
Impreso en México • Printed in Mexico
ÍNDICE
Agradecimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Prólogo a la segunda edición, Octavio Novaro Peñalosa
Prólogo a la primera edición, Miguel José Yacamán . .
Prefacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I. Qué es la superconductividad . . . . .
Historia . . . . . . . . . . . . . . . . .
Los materiales superconductores . .
Diferencias entre superconductores
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II. Los superconductores ideales o tipo i .
El campo magnético crítico . . . . . .
La energía de la transición . . . . . . .
El desorden . . . . . . . . . . . . . . . .
El calor específico . . . . . . . . . . . .
Los iones y la transición . . . . . . . .
Superelectrones . . . . . . . . . . . . .
Electrones que se atraen . . . . . . . .
El estado intermedio . . . . . . . . . .
El hidrógeno metálico . . . . . . . . .
Los acoplamientos . . . . . . . . . . . .
Materiales que son superconductores
a altas presiones . . . . . . . . . . . .
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III. Los superconductores duros o tipo ii . . . .
El estado mixto . . . . . . . . . . . . . . . .
Cómo se magnetizan . . . . . . . . . . . .
El efecto de proximidad . . . . . . . . . .
Los nuevos materiales superconductores
El efecto de proximidad gigante . . . . . .
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IV. Los llamados superconductores exóticos
o atípicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Los fulerenos . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Los superconductores orgánicos . . . . . . .
Los borocarburos . . . . . . . . . . . . . . . .
Los superconductores de fermiones pesados
El superconductor con transición de fase
de cuarto orden . . . . . . . . . . . . . . . .
El sistema tungsteno-bronce . . . . . . . . . .
El diboro de magnesio . . . . . . . . . . . . .
El caso de los ultraconductores . . . . . . . .
El curioso caso del compuesto de plutonio .
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V. Algunas aplicaciones de la superconductividad
Algunas aplicaciones de los electroimanes
superconductores . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistemas inductivos de almacenamiento
de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Algunas nociones sobre cables
superconductores . . . . . . . . . . . . . . . .
Algunas aplicaciones en la electrónica . . . . .
Los primeros transistores superconductores .
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VI. La superconductividad en imágenes . . . . . . . . . . . 122
VII. Premios Nobel de Física relacionados
con la superconductividad . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Heike Kamerlingh Onnes . . . . . . . . . . . . . . . . 151
8
John Bardeen . . . . . .
Leon Cooper . . . . . .
John Robert Schrieffer
Brian Josephson . . . .
Alex Müller . . . . . . .
Georg Bednorz . . . . .
Alexei Abrikosov . . . .
Vitaly Ginzburg . . . .
Anthony Leggett . . . .
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Bibliografía recomendada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
9
A la memoria de Facundo, mi padre
A Lilí, mi madre
A Carolina, Rodrigo y Facundo, mis hijos
A Carolina, Ernesto y Paulina, mis nietos
A Alicia, mi esposa
AGRADECIMIENTOS
Quiero expresar mi agradecimiento al doctor José Reyes por su
colaboración para obtener, en el microscopio electrónico, las
imágenes de una cerámica superconductora para la portada de
la primera edición. Al físico Lorenzo Juárez por su labor en el
procesamiento digital de las imágenes del microscopio electrónico, que formaban parte de la portada de la primera edición.
Al físico Javier Fuentes M. del if-unam, por preparar la pastilla
superconductora. Al señor Alfredo Sánchez por la realización
de las fotografías de la portada y del interior del libro, tanto de
la primera como de la segunda edición. Al cuerpo editorial del
Fondo de Cultura Económica por su asistencia, siempre muy
cálida y eficiente.
Luis Fernando Magaña Solís
México, D. F., 2012
13
PRÓLOGO A LA SEGUNDA EDICIÓN
A una década del boom causado por el descubrimiento de los
superconductores de altas temperaturas (y aquí convendría
aclarar que estamos hablando de temperaturas tan gélidas como
−100 °C, lo cual sin embargo eliminó el prejuicio de que la superconductividad sólo podría existir muy cerca del cero absoluto) hemos aprendido algunas lecciones importantes.
Una, que las teorías científicas tienen cada vez más corta
duración, aun la famosísima y laureada de Bardeen, Cooper y
Schrieffer no resultó aplicable a los nuevos superconductores.
Otra, que, como la lechera, no debemos vender las aplicaciones
tecnológicas de un nuevo descubrimiento científico hasta haberlo “ordeñado” exhaustivamente; el maravilloso mundo que nos
prometía trenes flotantes sobre campos magnéticos producidos
por superconductores no ha arribado… todavía. Una tercera lección es que no debemos nunca limitarnos a seguir los caminos
lógicos e iluminados por la ortodoxia reinante para intentar
nuevos descubrimientos. Recuerdo que a principios de los años
ochenta asistí a un coloquio en Florida, EUA, que impartía
Mathias (un profeta de la superconductividad en esa época). Le
pregunté entonces acerca de experimentos en los que no usaban
metales sino óxidos como superconductores. Mathias los descartó
con una sonrisa. Esto me recordó una anécdota de un testigo presencial del regaño de Wolfgang Pauli a sus alumnos Uhlenbech
15
y Goulsmidth cuando le anunciaron que iban a proponer el “absurdo” concepto de que el electrón tenía espín, o sea, un momento angular semientero. Eppure... el espín semientero de los
componentes de la materia y los superconductores de alta temperatura se mueven. Y en el segundo caso estoy seguro de que se
descubrirán nuevos superconductores y cambiarán la tecnología (y la economía) del próximo milenio. ¿Dónde aparecerán?; tal
vez donde menos los esperamos. La única predicción segura en
la ciencia es que sus avances continuarán siendo impredecibles.
Me hago estas consideraciones al leer la segunda edición
del libro de Luis Fernando Magaña a casi un decenio de aparecida la primera. El libro, que fue el primero en español acerca
de este tema, no ha perdido ninguna de sus cualidades y sigue
siendo esencial para la bibliografía de difusión científica en
nuestra lengua. Con la misma frescura, interés y amenidad que
en la primera edición, Fernando Magaña combina dos cualidades: la del investigador original que contribuye al desarrollo de
su disciplina y la del divulgador capaz de dialogar y atraer al
público en general a un tema de alta complejidad técnica y científica. Lo consigue recurriendo a un estilo ameno y ligero, sin
que esto signifique que se aleja del fondo real del tema. Si bien
no es excepcional que un científico sea capaz de dialogar con personas ajenas a su disciplina y transmitir información útil en forma accesible, tampoco es del todo común. Esto requiere de dos
cualidades que Fernando Magaña posee: la primera, conocer a
fondo la materia, pues sólo puede presentar en forma correcta y
sencilla un tema científico aquel que lo conoce en toda profundidad, y la segunda, el don de comunicar y presentar en forma
atractiva los temas que desarrolla. Los superconductores, en su
segunda edición, continuará ayudando y atrayendo a nuevas generaciones de jóvenes a este fascinante campo de estudio.
Octavio Novaro Peñalosa
16
PRÓLOGO A LA PRIMERA EDICIÓN
A finales de 1986, en la reunión de la Sociedad de Investigación
en Materiales en Boston, EUA, la comunidad científica internacional notó por primera vez un trabajo que fue publicado con
anterioridad en una revista alemana pero que había pasado casi
inadvertido. En él se mencionaba la existencia de un compuesto
superconductor cuya temperatura crítica era cercana a los 40 K.
Este trabajo, que le valió el Premio Nobel un año después a sus
autores, K. A. Müller y J. C. Bednorz, del Laboratorio ibm de
Zúrich, constituyó el inicio de una verdadera revolución científica.
Una buena cantidad de grupos de investigación ingresaron
desde entonces a las filas de la superconductividad. Los resultados, hasta la fecha de escribir este prólogo, han sido realmente
notables: se han obtenido ya superconductores a temperaturas
críticas por arriba del nitrógeno líquido y las posibles perspectivas tecnológicas están a la vista y parecen ilimitadas. Desde el
punto de vista científico, la superconductividad pasó de ser un
tema de poco interés desde el punto de vista aplicado, a convertirse en un tema primordial.
El libro del doctor Fernando Magaña es la primera obra en
idioma castellano que trata, en forma accesible al gran público,
el fenómeno de la superconductividad. La mayoría de las personas interesadas en temas científicos, y aun los miembros de la
comunidad científica, se habían interesado poco en el tema de
17
la superconductividad hasta que las noticias y reportajes internacionales al respecto despertaron su curiosidad. La superconductividad, que se había constituido en un tema de especialistas, de momento se convirtió en materia de interés para el gran
público. El libro del doctor Fernando Magaña viene a ocupar un
lugar muy importante en la bibliografía científica de habla hispana al presentar la superconductividad de manera amena y
atractiva al lector interesado, lego en la materia. Magaña es un
investigador que ha trabajado ya por muchos años en el campo
de la superconductividad. El número y la calidad de sus trabajos
le da la autoridad suficiente y la soltura en el tema que se demuestra en varias partes del libro. Asimismo, la alta calidad
científica del autor le permite presentar, en términos sencillos,
conceptos que podrían ser complicados.
Sin duda el lector del presente libro encontrará un texto
ameno, interesante, que le proporcionará gran cantidad de información sobre la superconductividad, desde su trayectoria
histórica hasta su desarrollo actual. La superconductividad ha
producido ya importantes cambios en la ciencia que aún no
hemos podido valorar totalmente. Muchos de los hábitos de la
comunidad científica se han transformado por la presencia de
este nuevo fenómeno. Al momento no sabemos cuál va a ser la
trayectoria futura, pero, por ejemplo, la superconductividad ha
alterado la manera en que los científicos se comunican. De tal
modo que la mayoría de los trabajos actuales se leen en forma
de preimpreso en lugar del tradicional artículo publicado. Éste
es un campo en el que los artículos son ya, de entrada, obsoletos. Al mismo tiempo, la superconductividad ha permitido que
un experimento, que en 1987 le valió el Premio Nobel a sus autores, lo hayan podido realizar en sus laboratorios, en el mismo
año, estudiantes de preparatoria. Éste es un caso sin precedente
en la ciencia y seguramente nos coloca ante una nueva perspectiva: la posibilidad de que los estudiantes jóvenes se familiaricen, desde el principio de sus estudios, con experimentos e
ideas científicas de frontera.
18
Por eso, el libro del doctor Fernando Magaña es un instrumento invaluable para todos aquellos que se interesan en el tema
de la superconductividad y que desean informarse de las posibilidades de realizar investigaciones sobre dicho tema. Escrito
de manera estupenda, este libro seguramente interesará a muchos futuros investigadores en el desarrollo de esta importantísima área de la ciencia.
Miguel José Yacamán
19
PREFACIO
La superconductividad es uno de los descubrimientos más fascinantes de la ciencia del siglo xx. Pertenece a la familia de descubrimientos de la física 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 aplicaciones 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, comúnmente, los
aeroplanos. Los prototipos ya están en operación. En el segundo tipo tendríamos la posibilidad de transmitir energía eléctrica desde los centros de producción, como presas o reactores
nucleares, hasta los centros de consumo, y redes de distribución
de energía eléctrica en las ciudades (que son ya una realidad)
sin pérdidas de ningún tipo en el trayecto. Para el tercer tipo
de aplicaciones podemos mencionar la posibilidad de fabricar
supercomputadoras extremadamente veloces.
Estamos viendo ya en los primeros años del siglo xxi muchas más aplicaciones de los materiales superconductores que
en todo el siglo xx. Esto se puede afirmar, en especial, a raíz del
hallazgo, en 1986, de los materiales superconductores cerámi21
cos que tienen temperaturas de transición al estado superconductor superiores a la temperatura de ebullición del nitrógeno
líquido (que es, aproximadamente, de 77 K o, lo que es lo mismo, −196 °C; se utiliza la medida kelvin para calcular la temperatura absoluta); lo que significa una gran simplificación en la
construcción de los aparatos en los que se aplica el fenómeno
de la superconductividad, al compararlas con las temperaturas de
transición más altas conocidas anteriormente de 23 K. Tenemos ya ciudades electrificadas con cables superconductores cerámicos subterráneos refrigerados con nitrógeno líquido, cisternas de energía que almacenan de la manera más eficiente
jamás diseñada por el hombre y robots levitados por el efecto
Meissner trabajando en la fabricación de microchips sin levantar granos de polvo que dañan a estos dispositivos, entre otras
aplicaciones ya comunes.
Pero, ¿qué es la superconductividad? Es un estado de la materia, como lo es el estado líquido o el estado sólido, en el cual no
existe resistencia eléctrica. Esto significa que no hay disipación de
energía al pasar corriente eléctrica por un material superconductor. Pero no es sólo eso, sino que, además, no permite que el campo de fuerza de un imán penetre en su interior (esto último se
conoce como efecto Meissner). Esta combinación de efectos eléctricos y magnéticos recibe el nombre de estado superconductor.
Su descubrimiento se remonta a principios del siglo xx, en
1911, y está íntimamente ligado a la obtención de muy bajas temperaturas (cercanas al cero absoluto) en el laboratorio. Fue el
doctor H. K. Onnes (quien nació en 1856 y murió en 1926), de la
Universidad de Leyden, Holanda, su descubridor. El doctor
Onnes obtuvo el Premio Nobel de Física en 1913 “por sus investigaciones de las propiedades de la materia a bajas temperaturas
que condujeron, entre otras cosas, a la producción de helio líquido”. Había logrado, en 1908, licuar el helio, y este hecho lo llevó a
su descubrimiento de la superconductividad en el mercurio al
enfriarlo a la temperatura del helio líquido (−269 °C, aproximadamente).
22
No fue sino hasta 1957 cuando pudo entenderse el origen del
fenómeno, al menos en lo que ahora conocemos como superconductores convencionales (para distinguirlos de los descubiertos más recientemente, los superconductores cerámicos),
cuando J. Bardeen (fallecido en 1991), L. Cooper y R. Schrieffer
enunciaron su teoría de la superconductividad, que ahora se conoce como teoría bcs, en su honor. A Bardeen, Cooper y Schrieffer se les otorgó el Premio Nobel de Física en 1972 por su teoría,
que se basa en la existencia de los llamados pares de Cooper, que
son parejas de electrones ligados entre sí y que se forman, según
la teoría bcs, por la interacción atractiva de dos electrones inducida por un fonón.
Después de la formulación de la exitosa teoría bcs, apareció otro avance notable en el estudio de los superconductores
cuando un estudiante de doctorado de la Universidad de Cambridge, en Inglaterra, predijo que aparecería un flujo de corriente entre dos materiales superconductores aun cuando estuvieran separados por un aislante. Esta predicción fue confirmada
posteriormente y se le otorgó el Premio Nobel de Física de 1973;
lo compartió con Leo Esaki por su descubrimiento del efecto
de tunelamiento electrónico en los materiales semiconductores,
y con Ivar Giaever por su descubrimiento del efecto de tunelamiento electrónico en superconductores, comprobando las predicciones de Josephson. Este efecto de tunelamiento electrónico
en superconductores se conoce ahora como efecto Josephson,
cuya aplicación discutimos en otra parte de este libro. El ahora
llamado efecto Josephson tiene muchas aplicaciones en numerosos dispositivos electrónicos. El más espectacular es el squid,
que permite medir campos magnéticos muy poco intensos y
tiene numerosas aplicaciones médicas e instrumentales en la
física y la ingeniería.
En 1986, J. C. Bednorz y K. A. Müller, en un laboratorio de
investigación de la compañía ibm en Zúrich, Suiza, hicieron el
descubrimiento de los materiales superconductores cerámicos
que han alcanzado ya temperaturas de transición superconduc23
toras por arriba de la temperatura de ebullición del nitrógeno
líquido (de hecho ya se tienen temperaturas de transición por
arriba de los 134 K) y que hace ya muy atractiva y factible la
utilización de los materiales superconductores, con todas sus
maravillosas propiedades, en la vida diaria del ser humano. Por
su descubrimiento, a Bednorz y Müller se les otorgó el Premio
Nobel de Física en 1987.
En 2003 se otorgó el Premio Nobel de Física a tres científicos muy relevantes: Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg y
Anthony Leggett. Es bien sabido que la teoría bcs es adecuada
para los llamados superconductores tipo i, pero no para los
que son tecnológicamente más importantes, los superconductores tipo ii. En los superconductores tipo ii, magnetismo y superconductividad coexisten al mismo tiempo y permanecen
en el estado superconductor con campos magnéticos muy intensos. Alexei Abrikosov explicó con éxito este fenómeno. Su
punto de partida fue una teoría formulada para los superconductores tipo i por Vitaly Ginzburg (fallecido a los 93 años, el
8 de noviembre de 2009) y otros colegas, pero que resultó ser
tan amplia que era también válida para los superconductores
tipo ii. Aunque estas teorías fueron desarrolladas en la década
de 1950, este tipo de superconductores ha ganado importancia
renovada por el rápido desarrollo de materiales con propiedades completamente nuevas. En la actualidad los materiales superconductores se están obteniendo con temperaturas críticas
cada vez mayores y con campos magnéticos críticos cada vez
más intensos.
Por otro lado, el helio líquido, a bajas temperaturas, puede
volverse superfluido, esto es, que pierde totalmente su viscosidad y puede fluir a través de aberturas del tamaño de un átomo
sin ninguna dificultad. Los átomos del poco común isótopo de
helio conocido como helio-3 se vuelven superfluidos formando pares análogos a los pares de electrones en un superconductor. En la década de 1970, Anthony Leggett formuló la teoría
que explica el ordenamiento de los átomos en los superfluidos.
24
Como dato interesante, estudios recientes muestran cómo este
ordenamiento en un superfluido se transforma en caos o turbulencia, que es uno de los problemas no resueltos de la física
clásica.
Aunque ya se sabe con certeza que en estos materiales (como
en los materiales superconductores convencionales) existen los
pares de Cooper, que son los responsables del estado superconductor, todavía no se conoce el mecanismo (o combinación de
mecanismos) que lleva a su formación, aun cuando se puede descartar la intervención de los fonones en algunos de los nuevos
compuestos cerámicos superconductores, como quedó claro
en 2005.
En este trabajo se pretende describir, de manera sencilla, el fenómeno de la superconductividad, con sus principales características y aplicaciones. Las partes en forma de transcripción y en
tipo menor tratan temas destinados a personas que saben un
poco de mecánica cuántica o de física del estado sólido, y pueden ser excluidas de la lectura sin perder continuidad.
En esta nueva edición hemos revisado, actualizado y ampliado el contenido del libro. Se incluyen temas nuevos, como los superconductores atípicos, que son de una gran variedad y en muchos casos están cuestionando todos los conceptos fundamentales
que teníamos de los superconductores. Como ejemplo está el
material superconductor, compuesto de plutonio, que resulta asimismo un material radiactivo. Nadie hubiese esperado que se
pudiera tener un material superconductor en este caso y con una
temperatura de 18.5 K, que es bastante alta. Aunque no parecen
posibles las aplicaciones de este material por ser radiactivo y altamente tóxico, su descubrimiento plantea nuevas interrogantes
sobre el estado superconductor. Por otro lado, muchas de las aplicaciones que parecían solamente posibles, son ya realidades.
Para terminar, es necesario mencionar que el descubrimiento y estudio de los superconductores, con la secuela de todas sus
enormes y fascinantes posibilidades de aplicación y su corres25
pondiente efecto económico, constituye uno de los ejemplos
más claros de que una de las inversiones más redituables que
puede realizarse en cualquier país es la investigación científica.
Luis Fernando Magaña Solís
México, D. F., 3 de febrero de 2012
26
I. Qué es la superconductividad
Historia
El descubrimiento de la superconductividad es uno de los más
sorprendentes en la historia de la ciencia moderna. Está íntimamente ligado con el interés de los físicos del siglo xix por licuar todos los gases conocidos en aquel tiempo. Era ya bien sabido que la inmensa mayoría de los gases sólo podrían licuarse
a temperaturas muy por debajo de cero grados centígrados. La
licuefacción de los gases permitiría estudiar los fenómenos que
se presentan en los materiales a temperaturas muy bajas.
Un par de años antes de la guerra entre Estados Unidos y
México, esto es, en 1845, Michael Faraday, de la Royal Institution de Gran Bretaña, pudo finalmente perfeccionar una técnica para licuar gases que 23 años antes había encontrado en forma accidental. Sin embargo, esta técnica no resultaba fácil en la
licuefacción del helio (He), del hidrógeno (H), del oxígeno
(O2), del nitrógeno (N2), del metano (CH4), del monóxido de
carbono (CO), ni del óxido nítrico (NO), que eran los únicos
gases que faltaban por licuar de todos los conocidos en aquella
época y, en consecuencia, tampoco el aire había sido licuado.
Sin embargo, para 1867 el francés Louis Cailletet fue el primero en licuar oxígeno (90.2 K o −182.96 °C) y realizar descubrimientos que mostraron la posibilidad de licuar el aire, que a la
postre dieron origen al método que permitió licuar de manera
sencilla y adecuada el helio.
27
En 1877, y siguiendo un método diferente al de Cailletet,
el suizo Raoul Pictet pudo también licuar oxígeno. Para 1898,
James Dewar, de la Royal Institution de Gran Bretaña, pudo licuar hidrógeno, cuya temperatura de ebullición es de 20.8 K,
que corresponde aproximadamente a −252.36 °C.
Fue 10 años después, en 1908, cuando Heike Kamerlingh
Onnes pudo, por primera vez en el mundo, obtener helio líquido, que tiene una temperatura de ebullición de 4.22 K, recuérdese que el cero absoluto equivale a −273.16 °C. Cabe mencionar que fue un logro tecnológico muy notable y que la dificultad
de la tarea se hace muy clara considerando que tuvieron que
transcurrir 10 años después de lograr la licuefacción del hidrógeno. El proceso requirió del desarrollo y uso de las más avanzadas técnicas de generación de frío disponibles en ese tiempo, en
tanto que por muchos años el laboratorio del doctor Onnes mantuvo el monopolio de estas innovaciones. Este logro se realizó
en la Universidad de Leyden, en Holanda, y le abrió paso a Onnes para el descubrimiento de la superconductividad (figura i.1).
Con el helio líquido Kamerlingh Onnes pudo ya disponer
de un baño térmico a muy bajas temperaturas y se dispuso a
investigar las propiedades de la materia bajo esas condiciones.
Seleccionó, como uno de los temas de sus investigaciones a bajas
temperaturas, el comportamiento
de la resistividad eléctrica de los
metales. Esto se debió a que la
medición de esta propiedad se
puede realizar con relativa facilidad a cualquier temperatura y,
también, porque el tema de la re-
Figura i.1. Heike Kamerlingh Onnes,
físico holandés, descubridor de la superconductividad en 1911.
28
Resistencia
sistividad eléctrica de los metales era ya, desde entonces, de
considerable importancia.
En ese tiempo, las teorías sobre la resistividad eléctrica de los
metales se encontraban en un estado bastante rudimentario. Se
pensaba que era probable cualquiera de las tres posibilidades
mostradas en la figura i.2 para el comportamiento de la resistividad al disminuir la temperatura.
Se decía que la curva A de la figura i.2 ocurriría si la resistencia
eléctrica era debida completamente a la dispersión que los electrones sufrían por las vibraciones de la red atómica. Se esperaba
que la curva B pudiera ocurrir si las dispersiones de los electrones
por las impurezas que estuvieran presentes fuesen importantes.
La curva C se produciría si los electrones de conducción, esto
es, los electrones libres de moverse por el metal, disminuyeran
rápidamente su número al disminuir la temperatura. Esto último
sería posible, se pensaba, si al disminuir la temperatura y con
ella la energía de movimiento de los electrones, éstos pudieran ir quedando atrapados alrededor de los iones en el metal.
Kamerlingh Onnes se dispuso a averiguar, por medio de la
experimentación, cuál era la verdadera variación de la resistividad con la temperatura. Para comenzar, decidió examinar la
primera hipótesis. Para esto, seleccionó el mercurio como metal a
estudiar, porque era el que con
más pureza podía obtenerse
en esa época. La gran sorpresa
ocurrió en 1911, cuando uno
de sus estudiantes de doctora-
Figura i.2. Comportamientos posibles del valor de la resistividad eléctrica de un metal al disminuir su
temperatura, de acuerdo con las ideas
prevalecientes alrededor de 1908.
C
A
B
Temperatura
29
do, de nombre Gilles Holst, tomó un tubo capilar lleno de mercurio, lo rodeó de un baño térmico de helio líquido y observó
que la resistividad eléctrica del mercurio a una temperatura
inferior a 4.22 K era menor, por un factor de 10−11, que su valor correspondiente a una temperatura un poco arriba de 4.22
K; pensó que había verificado la validez de la hipótesis A de la
figura i.2, pero la caída del valor de la resistencia a cero prácticamente era muy abrupta, mucho más de lo que se esperaría
de la hipótesis A de la misma figura. Esto llevó a repetir el experimento muchas veces hasta que se tuvo una total certeza de
que la resistividad no disminuía de manera continua como se
indica en la curva A, sino que desaparecía muy abruptamente a
una temperatura de 4.15 K. Por otro lado, también observó que
este comportamiento no se alteraba al introducir impurezas en
la muestra de mercurio.
Bien pronto se dio cuenta de la existencia de un nuevo estado del mercurio, en el cual no había resistividad eléctrica. Encontró también que existía un valor de la densidad de corriente
eléctrica, que pasa por el superconductor, a la que llamó “densidad de corriente crítica”, para la cual el material regresa al estado normal. El valor de esta corriente depende del valor de la
temperatura a la cual se encuentra el material. En 1914 encontró
que la aplicación de un campo magnético puede destruir la superconductividad, esto es, también existe un campo magnético
crítico para el material cuyo valor también depende de la temperatura. Tanto el valor de la corriente crítica como del campo
magnético crítico son parámetros muy importantes en las aplicaciones tecnológicas de estos materiales.
Vemos así que hacia 1914 Kamerlingh Onnes y su equipo
no sólo habían descubierto el fenómeno de superconductividad
sino que también habían establecido que este fenómeno podía
destruirse ya sea elevando la temperatura del material suficientemente, aplicando una densidad de corriente suficientemente
alta a través del material o colocando el material en el seno de
un campo magnético muy intenso.
30
A este nuevo estado que encontró en el mercurio lo llamó
estado superconductor. El doctor Onnes también encontró que
el estaño y el plomo pueden pasar al estado superconductor.
Así nacía el estudio de los superconductores.
El doctor Onnes recibió el Premio Nobel de Física en 1913
“por sus investigaciones en las propiedades de la materia a bajas
temperaturas, que condujeron, entre otras cosas, a la producción
del helio líquido” (figura i.3). El doctor Onnes falleció en 1926, a
la edad de 73 años.
Ya para la década de 1920 existían varios laboratorios en
el mundo que podían producir bajas temperaturas y estudiar
la superconductividad. En 1933 Walther Meissner y Robert
Oschenfeld realizaron un descubrimiento muy importante en
los materiales superconductores estudiando el estaño. Encontraron que para campos magnéticos bajos (con intensidades por
debajo del valor crítico) aplicados al material, el campo magnético en el interior de un material en el estado superconductor
siempre es cero. A este efecto se le conoce como efecto MeissnerOschenfeld. Desde entonces sabemos que un superconductor no
Figura i.3. Paul Ehrenfest, Hendrik Lorentz y Niels Bohr acompañan a Heike
Kamerlingh Onnes frente a su licuefactor de helio.
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Los superconductores son materiales que, a cierta temperatura,
tienen el máximo grado de eficiencia para conducir
corriente eléctrica. Cuando a principios del siglo xx se descubrió
la superconductividad, la ciencia superó nuevamente la frontera
entre realidad y ficción, pues desde entonces el conocimiento
sobre esta propiedad de la materia ha encontrado un gran número
de aplicaciones, como la construcción de sistemas de transporte
levitado, computadoras extremadamente veloces
o la limpieza de aguas contaminadas.
Luis Fernando Magaña brinda en esta obra un panorama
general de las investigaciones alrededor de este fenómeno,
sus principales características y aplicaciones. Y es que, como afirma
el autor, este avance puede colocar, con un poco de apoyo
gubernamental, a países como México en la vanguardia
del desarrollo tecnológico.
Luis Fernando Magaña Solís cursó sus estudios de física en la unam y en la
Universidad McMaster, de Canadá. Fue director de la Facultad de Ciencias de la unam
de 1998 a 2002. Forma parte de la Academia Mexicana de Ciencias, de la American
Physical Society y de la Optical Society of America; fue además fundador de la Red
de Facultades de Ciencias de América Latina y el Caribe.
www.fondodeculturaeconomica.com
la
ciencia
para
todos
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