Elevando la temperatura: Superconductividad Ma r t ¶ ³n Gu e va r a Ma r t ¶ ³n e z In g e n ie r ia Qu ¶ ³m ic a . D ivis io n CB I. U A M-I. Introducci¶ on Hacia el a~ no de 1911, se descubri¶o una nueva propiedad de la materia, ¶esta fue denominada superconductividad, la cual consiste en que algunos materiales al encontrarse en un medio que est¶a por debajo de los cero grados cent¶³grados no presentan resistencia al paso de la corriente pero s¶³ el maravilloso efecto Meissner que consiste en que el material expulsa todo campo magn¶etico de su interior. Estos materiales son generalmente del tipo met¶ alico aunque los hay de tipo cer¶amico que son aleaciones con el grupo de las tierras raras y son del tipo inorg¶ anico, no met¶ alico. Se cree que en un futuro puedan existir materiales del tipo org¶anico formados por cadenas de carbono. Actualmente se prueba con materiales a ¯n de que presenten el fen¶omeno de la superconductividad a temperaturas cercanas al medio ambiente. contrar resistencia en el mercurio! Este nuevo estado lo llam¶ o superconductividad; a partir de ese momento nac¶³a una nueva l¶³nea de investigaci¶ on: el estudio de los materiales superconductores. Dos a~ nos m¶ as tarde en 1911, Heike Kamerlingh Onnes recibi¶ o el premio Nobel por su descubrimiento y muchos laboratorios en el mundo comenzaron a reproducir los experimentos. La electricidad La importancia de este descubrimiento es que ayud¶o a comprender c¶ omo °uye la electricidad dentro de un alambre. La electricidad es un fen¶ omeno producido por un °ujo de electrones. A este °ujo se le denomina corriente el¶ectrica y el material por donde °uye conductor. El cobre es el conductor m¶as com¶ un que conocemos, pero no es el u ¶nico; el aluminio, la plata y el oro son excelentes conductores pero su fabricaci¶ on ser¶³a muy costosa por obvias razones. Por otro lado, existen materiales como el caucho o la madera que no son buenos conductores; a ¶estos se les denomina aislantes. Tambi¶en existen los semiconductores, ¶estos aunque conducen la electricidad no lo hacen tan bien como el cobre. Sin embargo, ni los mejores conductores (como el cobre) son perfectos. Gran parte de electricidad que circula a trav¶es de ellos se pierde en forma de calor debido a la \resistencia " . Pero. . . adentr¶emonos en este mundo fascinante de la ciencia, aquellos tiempos que presenciaron el nacimiento de esta nueva tecnolog¶³a y ve¶ amos qu¶e impulso desarrollar¶a estos materiales del pr¶ oximo siglo. La aventura Todo comienza en el a~ no de 1908 en el laboratorio de bajas temperaturas de la Universidad de Leyden, Holanda. Un cient¶³¯co trabaja con gran inter¶es en obtener por vez primera en el mundo helio l¶³quido el cual en su estado natural es un gas(como el aire) pero que al licuarse pasa al estado l¶³quido. Se lic¶ ua, esto es se vuelve l¶³quido a 4.22 K (grados Kelvin) que son ¡268:8o C (grados cent¶³grados) demasiado fr¶³o >no es as¶³? pues este helio l¶³quido sirvi¶ o para explorar la materia y su comportamiento al pasar la corriente el¶ectrica, en especial de los metales en aquel tiempo. El cient¶³¯co que realiz¶o estos experimentos fue nada menos que Heike Kamerlingh Onnes, actual padre de la superconductividad, utilizando mercurio en sus experimentos pues era el elemento que con m¶as pureza pod¶³a obtenerse. Colocando el mercurio dentro de un recipiente de forma cil¶³ndrica que por los extremos ten¶³a unas conexiones de modo que la corriente entraba por un extremo, atravesaba el mercurio y sal¶³a por el otro extremo al cerrarse el circuito, la corriente <°uy¶ o sin en- >Qu¶ e es la resistencia? La resistencia es el impedimento al libre paso de la electricidad, los electrones al ser acelerados por una diferencia de potencial van circulando por el conductor en forma desordenada golpe¶ andose unos y otros generando con estos golpes, calor. Antes de 1911 no hab¶³a forma de eliminar la resistencia en los conductores, pero con la aparici¶ on de los superconductores las p¶erdidas en la electricidad disminuyeron; esto no quiere decir que sea la panacea de la investigaci¶ on pero s¶³ un campo que promete muchas sorpresas en el futuro. 19 20 ContactoS 36, 19{23 (2000) A los superconductores se les clasi¯ca en dos grupos: los de tipo met¶alico como el plomo, esta~ no, alu¶ minio, etc. Estos reciben el nombre de superconductores ideales o \perfectos" y por otro los de tipo cer¶ amico constituidos con aleaciones de tierras raras y reciben el nombre de superconductores \duros". Un tercer grupo son los de tipo org¶anico formado en su mayor¶³a por cadenas de carbono como lo son los fullerenos que alcanzan la superconductividad a 18 K que equivalen a ¡255± C muy cerca del cero absoluto. La clasi¯caci¶ on de los superconductores puede parecer un tanto arbitraria pero la diferencia m¶as palpable es comprobar si presentan dos condiciones importantes: una, que la resistencia al paso de la corriente sea nula y la otra que presenten el efecto \Meissner". Ahora, las dos condiciones anteriores para un superconductor tienen la siguiente explicaci¶on: 1: Que cuando se enfr¶³a por debajo de su temperatura cr¶³tica (temperatura a la cual pasa al estado superconductor) los electrones viajan en una forma ordenada, en lo que se conoce como \par de Cooper". Este concepto que constituye la teor¶³a del par de Cooper fue el camino hacia la teor¶³a microsc¶ opica de la superconductividad dada por sus autores Bardeen, Cooper, y Schrie®er en 1957. Su explicaci¶ on es la siguiente: \cuando un electr¶on (con carga negativa) viaja a trav¶es de la red cristalina del material encuentra que a sus lados hay iones con carga positiva, este electr¶on sentir¶a la atracci¶on de los iones pero, si al otro lado va otro electr¶on viajando en forma paralela tambi¶en sentir¶a la atracci¶on de estos iones, entonces los dos electrones <se unir¶an por medio de los iones! <fabuloso! >no? Y de esta forma viajar¶ an en pares de Cooper", como se ve en la ¯gura 1. F ig ura 1 . D o s e le c tro ne s v ia ja n a tra v ¶e s de la re d c rista lina , lo io ne s po sitiv o s sie nte n la a tra c c i¶o n de ¶ e sto s, a s¶ ³ po r me dio de la re d se une n y v ia ja n e n pa re s. F ig ura 2 . U n im¶a n e s \ le v ita do " , e sto e s °o ta e n la supe r¯c ie de un ma te ria l supe rc o nduc to r, e ste e fe c to lla ma do e fe c to \ M e issne r" e s utiliz a do pa ra le v a nta r tre ne s de g ra n pe so . 2: Ahora, si el superconductor se encuentra dentro de un campo magn¶etico producido por un im¶ an, el campo rodea al superconductor pero no penetra en ¶el sino que lo rechaza haciendo que el <im¶an °ote!. De esta manera la experiencia ha demostrado que los superconductores de tipo met¶alico s¶ olo son superconductores de la electricidad presentando resistencia nula al paso de la corriente mas no el efecto Meissner, no es as¶³ los materiales de tipo cer¶ amico que presentan tanto resistencia nula como efecto Meissner, ver ¯gura 2. complejos debido a su naturaleza granular; por esto di¯cultan la puesta en marcha de aplicaciones de los mismos en forma inmediata a pesar del gran esfuerzo investigador que se est¶ a realizando. Es cierto que el gran problema, con los superconductores de tipo cer¶ amico es su manejo, pues son muy quebradizos, pero existen en la actualidad empresas que compiten fuertemente por fabricar materiales cada vez m¶ as resistentes, tal es el caso de la empresa norteamericana American Superconductor que ha dise~ nado un cable compuesto de hilos peque~ nos superconductores de cuatro micrones de espesor, con una con¯guraci¶ on hexagonal, esto con el prop¶ osito de que pueda doblarse y resistir el agrietamiento. El tiempo que se requiere para preparar un experimento son de diez a doce horas que duran las bajas temperaturas con hetio liquido. Pero se necesitan de unas ocho horas de preparativos. Los superconductores con ¶oxidos cer¶amicas multimet¶alicos de temperaturas superiores a 77K (¡196± C) son muy Sus aplicaciones La aplicaci¶ on de la superconductividad est¶ a en casi todos los campos como: la medicina, en equipos de resonancia magn¶etica nuclear o las maquinas MRI angiograf¶³a de proyecci¶ on que sirve para hacer medidas del °ujo sangu¶³neo en la red de ar- Elevando la temperatura: Superconductividad. Mart¶³n Guevara Mart¶³nez. 21 terias, venas del cuello y la cabeza; esta medici¶ on se realiza colocando al paciente dentro de un superconductor hueco emplea un im¶an superconductor de cinco toneladas que genera un campo magn¶etico <3OOOO veces superior al terrestre! En los transportes su utilizaci¶on es en los trenes de levitaci¶ on magn¶etica y su funcionamiento es de la siguiente manera: los polos magn¶eticos iguales se repelen, mientras que los opuestos se atraen. Un sistema de electroimanes que var¶³a seg¶ un el tipo de dise~ no es colocado sobre los ra¶³les y en los coches de los trenes. Unos imanes se emplean para elevar el tren y otros para impulsarlo alcanzando velocidades de hasta 300 km/h. En la f¶³sica se utiliza la superconductividad en el ¶area de altas energ¶³as, aqu¶³ se utilizan enormes aparatos llamados aceleradores de part¶³culas, aceleran part¶³culas cargadas (electrones y protones) mediante campos magn¶eticos que se generan debido a los electroimanes superconductores. La mayor¶³a de los aceleradores se dise~ nan para hacer chocar a las part¶³culas entre s¶³, apareciendo otras part¶³culas y materiales. Un nuevo super acelerador, conocido como SSC (s¶ uper colisionador) ser¶³a construido por el gobierno de Estados Unidos, con un valor de 4.4 billones de d¶olares, su construcci¶ on se autoriz¶ o desde enero de 1987. Sin embargo, despu¶es de un gasto de 2 billones de d¶olares el proyecto se anul¶o. El SSC ser¶³a 20 veces m¶ as potente que el tevatr¶on (otro s¶ uper acelerador) que se encuentra en el Fermilab y acelera part¶³culas con una energ¶³a de 1 Tev (1 Tev es 1012 electr¶on-voltios). En su lugar se construy¶o en Ginebra Suiza el LHC (colisionador lineal de hadrones) esta en el CERN (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares). Se espera que entre en operaci¶on para el a~ no 2006. Se sabe que diversos laboratorios de Estados Unidos tienen planeada la construcci¶ on de una m¶aquina que sobrepasar¶³a a ambas el LHC y el SSC(proyecto fracasado). La meta es alcanzar 50 Tev con la intenci¶on de hacer colisionar protones, esta nueva m¶aquina seria llamada el VLHC (gran colisionador de hadrones). En la cuesti¶ on de producci¶on de energ¶³a tambi¶en est¶ a presente la superconductividad, por ejemplo, la fusi¶ on es una fuente alternativa y ¶esta se da cuando dos ¶ atomos ligeros (deuterio + tritio) se unen o fusionan, para formar un ¶atomo m¶as pesado (helio). Este es el tipo de reacci¶on que se da en el Sol. La Uni¶ on Sovi¶etica fue el primer pa¶³s en hacer funcionar una m¶aquina de fusi¶on con bobinas electromagn¶eticas superconductoras. Esta m¶aquina llamada T-7, fue dise~ nada y construida en el instituto Kur- F ig ura 3 . El g ra n a c e le ra do r de pa rt¶ ³c ula s \ s¶upe r c o lisio na do r" utiliz a g ra nde s ima ne s supe rc o nduc to re s pa ra a c e le ra r pa rt¶ ³c ula s. chatov y tiene 48 bobinas superconductoras de una aleaci¶ on de niobio-titanio. Francia est¶ a construyendo otra con 18 bobinas superconductoras para no quedarse atr¶ as en esta competencia. Subiendo la temperatura Los adelantos en subir la temperatura cr¶³tica de los superconductores se dieron en Europa, en 1986; dos f¶³sicos Alex Muller y George Bednorz experimentando con materiales denominados perovskitas descubrieron con gran sorpresa que se volv¶³an superconductores a una temperatura mayor a las conseguidas previamente. Los dos cient¶³¯cos publicaron su hallazgo, repitieron sus experimentos otros laboratorios y en ese mismo a~ no fueron galardonados con el premio Nobel. En febrero de 1987 un equipo de la Universidad de Houston a cargo del Dr. Paul Chu, sintetiz¶ o un material cer¶ amico superconductor con una temperatura cr¶³tica de 94 K equivalente a ¡179o C muy superior a la temperatura de ebullici¶ on del nitr¶ ogeno de 77 K que equivale a -196o C. Por primera vez pod¶³a utilizarse un agente de refrigeraci¶ on relativamente econ¶ omico, como lo es el nitr¶ ogeno l¶³quido. Cabe se~ nalar algo importante: que para alcanzar temperaturas mayores en los materiales superconductores es necesario trabajar con materiales quebradizos. Los materiales superconductores de tipo cer¶ amico han ido mejorando paulatinamente; los primeros eran los de YBCO que dieron buenos resultados al principio, pero se descubri¶o que presentaban defectos al paso de la corriente, esto porque su estructura (a nivel microsc¶ opico) est¶a desordenada lo cual provoca que haya una dif¶³cil circulaci¶ on de la corriente pues los planos no est¶an ali- 22 C nt ct S 3 , 1 {2 (2 00 F ig ura 4 . El re a c to r de fusi¶o n \ to k a ma k " ; sus g ra nde s bo bina s de ma te ria l supe rc o nduc to r g e ne ra n c o rrie nte s su¯c ie nte me nte g ra nde s pa ra c o n¯na r e l pla sma . neados; por ende sus uniones son d¶ebiles. Otra cosa importante: s¶olo se pueden hacer pel¶³culas superconductoras, por su fragilidad nunca se ensay¶o un cable. No fue as¶³ con otros superconductores que presentan un mejor resultado: son los BSCCO (¶ oxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre); ¶este es un material que, a nivel microsc¶opico, presenta una estructura laminar y m¶as ordenada en la cual la corriente no encuentra obst¶aculos al pasar de un plano a otro. Con estos materiales se han logrado cables superconductores. F ig ura 5 . T re n \ le v ita do " v e lo c ida de s de 3 0 0 k m/ h. de o rig e n ja po n¶e s; a lc a nz a Se ha investigado tambi¶en otro tipo de superconductor: ¶ oxido de talio, bario, calcio y cobre (denominados TBCCO); en ¶estos las temperaturas de transici¶ on son de 120K (¡153o C); ¶estos compuestos presentan estructura esf¶erica, debido a ello no es posible trabajarlos y hacer cables. El proceso que se sigue es empacar el polvo en un tubo y aplicar presi¶on hasta hacer el cable. El problema con los TBCCO es que su estructura esf¶erica impide la compresi¶on. Muchos son los laboratorios que han echado las campanas al vuelo tras haber descubierto superconductores a temperatura ambiente e incluso a temperaturas superiores. Sin embargo la superconductividad se mani¯esta en zonas muy localizadas del material. Quiz¶a ya en este nuevo siglo aparezca una nueva teor¶³a que explique este secreto de los superconductores. F ig ura 6 . Eq uipo de re so na nc ia ma g n¶e tic a nuc le a r. El suje to e s c o lo c a do e n e l c e ntro de un c a mpo ma g n¶e tic o de a lta inte nsida d g e ne ra do po r lo s ima ne s c irc ula re s. Elevando la temperatura: Superconductividad. rconductividad. Mc Graw-Hill de Divulgaci¶ on Cient¶³¯ca. M¶exico. D. F. 1992. 5. Malamud, Emest. Informaci¶ on personal, Cient¶³¯co Mayor, Fermilab E. U. 2000 6. Yam, Philip. Al corriente. Investigaci¶ on y Ciencia, febrero, 1994. cs 24 L ¯g e t . Co ta to ra o r e c a d l a t¶ c u o \ A c do ul h¶ dr c o e l lo a h e v e i o d s ul a s le to e s a u o r s. a r da c io n po ri o y lg m¶ s. . d l N 36 19 23 20 0) .3 de o na c t S s