Superfluidos y superconductores: la física de la

Superfluidos y superconductores: la física de la materia
fría.
Gerardo Martínez Avilés
A principios del siglo XX, dos científicos, uno holandés llamado Heike
Kamerlingh Onnes, y y otro inglés, James Dewar, se encontraban en una
reñida competencia por lograr una hazaña hasta entonces inimaginable: la
obtención de helio líquido; hasta aquel momento era el único elemento
que no había podido obtenerse en forma líquida. Resulta que el helio se
licúa a una temperatura tan baja (-269 grados centígrados) que muchos
científicos de la época creían que la empresa era una locura. Recordemos
que la Tercera Ley de la Termodinámica dice que ningún sistema físico
puede alcanzar el cero absoluto (que es nada menos que -273.15°C,
escasos cuatro grados menos que la temperatura de licuefacción del
helio). En el cero absoluto todo proceso físico se detiene: los átomos que
conforman a la materia pierden su movimiento y los gases pierden su
volumen. Sin embargo, en contra de toda expectativa, después de meses
de arduo trabajo y toneladas de ingenio, el 10 de julio de 1908, Onnes
ganó la competencia.
El haber logrado alcanzar temperaturas tan bajas en la materia
inmediatamente abrió las puertas hacia nuevos e inesperados campos de
investigación: La superconductividad y la superfluidez de los materiales.
Conductores sin Resistencia
Al conjunto de técnicas de obtención y manipulación de la materia a bajas
temperaturas se le conoce con el nombre de criogenia. El laboratorio de
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Onnes fue uno de los primeros laboratorios modernos de criogenia en el
mundo y en éste, el científico tuvo la oportunidad de ser el primero en
observar a la materia comportarse de manera realmente extraña. En 1911,
al usar el helio líquido como refrigerante y estudiar las propiedades
conductivas de los metales a bajas temperaturas, Onnes descubrió la
superconductividad.
Los metales son buenos conductores del calor y la electricidad. Esto
se debe a que las propiedades atómicas de los metales permiten que los
electrones se muevan por ellos con relativa facilidad. Cada metal ofrece
una distinta respuesta al flujo de electrones; a la medida de la oposición
de un material a conducir la electricidad se le conoce como resistencia.
Usando su recién logrado helio líquido como refrigerante, Onnes
descendió la temperatura del mercurio hasta alcanzar los 4.2 Kelvin (269°C) y notó que el elemento perdía toda su resistencia y permitía el
libre flujo de los electrones. Con el tiempo se fue descubriendo que varios
materiales
conductores
perdían
su
resistencia
al
alcanzar
bajas
temperaturas.
Aunque el fenómeno de la superconductividad fue observado apenas
comenzado el siglo XX, no fue sino hasta 1957 cuando los científicos
John Bardeen, Leon Cooper y Robert Screifer propusieron un modelo del
funcionamiento de los superconductores. La resistencia eléctrica se debe a
que los electrones (aquellos no ligados fuertemente al núcleo de los
átomos del material), en su paso por un material, van chocando con
irregularidades que encuentran en su camino, dado que los átomos que
forman a los conductores no se encuentran perfectamente ordenados. Esto
hace que dichos electrones pierdan energía cinética (o energía asociada a
su velocidad) que se transforma en energía en forma de calor que pasa a
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los átomos del conductor. Es por eso que todos los conductores se
calientan al conducir electricidad. Ahora bien, cuando un electrón se
mueve en un superconductor su carga negativa distorsiona la geometría de
las partículas cargadas positivamente, lo cual a su vez, genera una especie
de estela de carga positiva. Este excedente de carga positiva en esa
región del material, atrae a un segundo electrón. A dicho par de
electrones se le conoce como un par de Cooper.
Un par de cooper: El primer electrón atrae a las cargas positivas del material, las cuales
a su vez atraen un segundo electrón.
De esta manera, los átomos del material se acoplan con el movimiento de
los electrones que se mueven dentro de él. El arreglo de átomos del
superconductor comienza a manifestar oscilaciones periódicas que están
coordinadas con el movimiento de los electrones. Y en este movimiento
coordinado no hay choques donde los electrones pierdan su energía. Por
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supuesto, para que existan los pares de Cooper, los materiales deben
alcanzar una temperatura muy baja conocida como temperatura crítica, la
cual depende del conductor. Ahora bien, en los últimos años se ha
descubierto que no solamente algunos metales, sino también materiales
como
el
llamado
superconductores.
Más
diborido
adelante
de
magnesio
veremos
otra
(MgB2)
pueden
peculiaridad
de
ser
dicho
material.
Lo más impresionante de estos “súper” materiales es que fenómenos
cuánticos pueden ser observados no a niveles microscópicos ¡sino a
nuestra
propia
escala!
Podemos
ver,
por
ejemplo,
pastillas
superconductoras que literalmente hacen levitar imanes debido a una
propiedad de los superconductores conocido como efecto Meissner: el
campo magnético se anula completamente en el interior del material
superconductor y las líneas de campo magnético son expulsadas hacia al
exterior del material, por lo que este se comporta como un perfecto
material diamagnético (que es repelido por los imanes).
La pastilla superconductora hace levitar sobre sí un imán usando el efecto Meissner.
http://www.gtbutnfra.com.ar/2009/08/supeconductores.html
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En cuanto a los superconductores, además de hacer levitar imanes, se
utilizan en la medicina para crear imágenes de resonancia magnética. El
problema con los superconductores es que es aún muy caro mantenerlos
a bajas temperaturas, por lo que es muy importante descubrir materiales
que presentan superconductividad a mayores temperaturas. De hecho ya
hay materiales superconductores a mayores temperaturas, como el diborido
de magnesio, que ya hemos mencionado, ha demostrado además que la
temperatura crítica puede ser de hasta 40 Kelvin (- 233°C), bastante
elevada para la mayoría de los superconductores conocidos hasta ahora.
Fluidos sin viscosidad.
El helio líquido, logrado por Onnes, demostró tener también propiedades
sumamente especiales. Resultó ser un líquido súper fluido. Para entender
este concepto, imaginemos que tomamos una cuchara y la mezclamos,
girando, con el café que tenemos en una taza. Al dejar de mover la
cuchara, después de unos minutos el café habrá dejado de girar casi
completamente. Este fenómeno se debe a que las moléculas que forman
nuestro café, se friccionan unas contra las otras. En dicha fricción
perdemos energía cinética en forma de calor. A la fricción en los fluidos
se le conoce como viscosidad. Pero ¿Qué pasa si hacemos el mismo
experimento con helio líquido? Bueno, podemos regresar millones de años
después de haber dejado de mover la cuchara y el líquido seguiría
girando. El helio líquido es lo que se conoce como un súper fluido: un
fluido sin viscosidad.
A diferencia de otras sustancias que se solidifican al descender sus
temperaturas, el helio tiene la capacidad de mantenerse líquido a una
temperatura tan baja. Al enfriarse, los materiales pierden energía cinética y
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sus átomos comienzan a agruparse hasta que el movimiento de los
átomos es tan pequeño que es imperceptible. Esto les da su estructura
sólida a los materiales. Pero los átomos del helio son muy pequeños y
ligeros y su movimiento, por pequeño que sea, nunca es imperceptible, lo
cual hace que el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica (que
dice que es imposible conocer simultáneamente la velocidad y la posición
de una partícula) les impida adoptar dicha estructura sólida; no importa
cuánto
enfriemos
dichos
átomos,
éstos
siempre
conservan
algo
de
movimiento. Si no fuera así, los átomos tendrían una velocidad y posición
definidas, lo cual violaría el principio de incertidumbre. A una temperatura
tan baja, el helio líquido deviene en un estado de la materia conocido
como condensado de Bose-Einstein. Cuando un material ha alcanzado la
condensación
de
Bose-Einstein
todos
sus
átomos
individuales
se
superponen, comportándose como una sola partícula. La coordinación del
movimiento de las partículas evita las colisiones entre ellas. Al igual que
en los superconductores, tenemos nuevamente un movimiento coordinado.
Los primeros en medir las propiedades de súper fluidez del helio fueron el
físico ruso Pyotr Kapitsa e independientemente los británicos John Allen y
Don Misener, en 1938. Fue Kapitsa, ganador del premio Nobel de física por
su descubrimiento, quien acuñó el término “súper fluido” para este tipo de
material.
El helio líquido también presenta propiedades increíbles: su ausencia
de viscosidad vence cualquier intento de ser contenido en un recipiente.
Literalmente, el helio escapa del vaso que intenta contenerlo.
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El helio líquido escapa del recipiente que intenta contenerlo. La flecha muestra una
pequeña gota de helio que se ha desbordado del recipiente.
http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=superfluid-can-climb-walls
Los súper fluidos pueden ser utilizados como refrigerantes, dado que son
materiales que se mantienen líquidos a muy bajas temperaturas. Y sus
curiosas propiedades están ayudando a entender más acerca de la física
cuántica...
Por lo pronto, la física parece hacer realidad la famosa frase del escritor
de ciencia ficción Arthur C. Clarke: “Una tecnología lo suficientemente
avanzada es indistinguible de la magia”.
Bibliografía
1.
http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=superfluid-can-climb-walls
2.
http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/cold/VanDelftHKO_PT.pdf
3.
http://www.ejournal.unam.mx/cns/no82/CNS000008206.pdf
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4.
http://cmp.physics.iastate.edu/canfield/pub/SciAmMgB2.pdf
5.
L. García Colín y R. Rodríguez Zepeda Líquidos exóticos. La ciencia para todos. FCE,
México
2003
L.Olivares
Quiroz.Líquidos
y
gases
ultrafríos.
Editorial
de
la
UACM,México,2012
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