Superconductividad

INTRODUCCIÓN
A lo largo de estas páginas vamos a intentar explicar que es la superconductividad, cuando aparece y su
historia, así como aspectos importantes como temperatura critica (Tc) y formas de obtenerlas.
Veremos como han evolucionado las investigaciones a lo largo de los años para obtener temperaturas criticas
mas elevadas y materiales que faciliten la superconductividad.
Hablaremos un poco de las aplicaciones y beneficios que nos aportaría la superconductividad, que como
sabemos son bastantes.
También haremos hincapié en la teoría BCS y lo que trata esta teoría. A continuación hablaremos mas
extendidamente de los superconductores y También de las superredes de superconductores sin dejar de lado
otros aspectos de gran importancia.
Por ultimo daremos una relación de las investigaciones que se hicieron en España sobre la superconductividad
durante 1990−1992.
LA SUPERCONDUCTIVIDAD
La superconductividad es un fenómeno que denota el estado en el cual la resistencia eléctrica de ciertos
materiales de forma repentina hasta llegar a cero. La temperatura por debajo de la cual la resistencia eléctrica
de un material se aproxima a cero absoluto se denomina temperatura critica (Tc). Por encima de esta
temperatura, al material se le conoce como normal, y por debajo de Tc, se dice que es superconductor.
Además de la temperatura el estado superconductor También depende de otras variables, como son el campo
magnético (B) y la densidad de corriente (J). De este modo, para que en material sea superconductor, la
temperatura critica del material, su campo magnético y su densidad de corriente no deben ser superadas de
unos valores específicos para cada caso, ya que para cada material, superconductor existe una superficie
critica en el espacio de T.B. y J.
Para ilustrar lo dicho anteriormente presentamos la siguiente gráfica, donde se representa la resistividad de un
material normal respecto a la temperatura, el cobre, frente a un material superconductor, como el mercurio.
Podemos observar como la resistividad del material superconductor cae bruscamente hasta un valor casi
inapreciable, mientras que la resistividad eléctrica del cobre decrece uniformemente mientras disminuye la
temperatura, y alcanza un valor mínimo a 0ºK.
Como anunciamos anteriormente la superconductividad depende del campo magnético puesto que si un
campo magnético suficientemente fuerte se aplica a un superconductor a cualquier temperatura que este por
debajo de su temperatura critica (Tc), el superconductor retorna a su estado normal. El campo magnético
aplicado necesario para restablecer la conductividad eléctrica normal en el superconductor se denomina
campo critico (Hc). La curva de Hc frente a la temperatura, T (ºK), puede aproximarse mediante la expresión:
Hc = Ho [1−(T/Tc)^2]
donde Ho es el campo critico a una temperatura T=0ºK. Esta curva representa el limite o la frontera entre los
estados normal y de superconductividad de un superconductor.
Los superconductores metálicos e intermetálicos se clasifican, según su comportamiento frente al campo
magnético aplicado, como superconductores de tipo I y de tipo II. Los superconductores del primer tipo
También conocidos como superconductores blandos, presentan un valor de Tc y de Hc demasiado bajos para
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cualquier aplicación practica. Algunos elementos metálicos como el plomo, estaño, mercurio y el aluminio
pertenecen a este grupo. Estos son conductores perfectos a la electricidad por debajo de Tc, pero cada uno
pierde su propiedad a un valor critico del campo magnético por debajo de 1500 Oe.
Si un cilindro largo d en superconductor de tipo I como Pb o Sn se coloca en un campo magnético a
temperatura ambiente, el campo magnético penetra normalmente a través del metal. Sin embargo, si la
temperatura del conductor del tipo I se reduce por debajo de su Tc (7,19ºK para el Pb) y si el campo
magnético esta por debajo de Hc, el campo magnético es expulsado de la muestra con excepción de una capa
de penetracion muy fina de unos 10^−5 cm en la superficie. Esta propiedad de expulsión de un campo
magnético en el estado de superconducción recibe el nombre de Efecto Meissner.
Los superconductores de tipo II se comporta de forma diferente en un campo magnético a temperaturas por
debajo de la temperatura critica. Ellos son diamagneticos, como lo superconductores de tipo I, hasta un valor
de un campo magnético aplicado llamado campo critico inferior Hc1, y de este modo el flujo magnético es
rechazado del material. por encima de Hc1 el campo empieza a penetrar en el superconductor de tipo II y
continua así hasta que alcanza el campo critico superior Hc2. En el intervalo entre Hc1 y Hc2 el
superconductor esta en estado mixto y por encima de Hc2 vuelve a su estado normal.
En la región Hc1 y Hc2 el superconductor puede conducir corriente eléctrica dentro del grueso del material y
de esta forma esta región del campo magnético puede ser usada para superconductores de alto campo y alta
corriente con el NiTi y Ni3Sb que son superconductores del tipo II.
En la figura anterior se muestra el efecto Meissner antes explicado:
Cuando la temperatura de un conductor del tipo I se reduce por debajo de Tc y el campo magnético esta por
debajo de Hc, el campo magnético es completamente expedido desde una muestra, excepto en una pequeña
capa superficial.
Los superconductores del tipo I son poco transportadores de la corriente eléctrica, ya que la corriente solo
puede fluir por la capa superficial externa de una muestra conductora. La razón por la cual sucede esto es que
el campo magnético solo puede penetrar la capa superficial, y la corriente solo puede fluir por esta capa. En
los superconductores de tipo II, por debajo de Hc1, los campos magnéticos se comportan de igual manera.
Sin embargo, si el campo se encuentra entre Hc1 y Hc2 (estado mixto), la corriente puede ser transportada por
el interior del conductor en filamentos. En los superconductores de tipo II, cuando se aplica un campo
magnético entre Hc1 y Hc2, el campo atraviesa el volumen del superconductor en forma de haces de flujos
cuantizados e individuales, llamados fluxoides. Una supercorriente cilíndrica en torbellino rodea cada
fluxoide. Con el aumento de la fuerza del campo magnético, mas y mas fluxoides entran en el superconductor
y constituyen una formación periódica. Para Hc2 la estructura a base de vértices de supercorriente colapsa y el
material vuelve a su estado de la conducción normal.
Todos los materiales superconductores se pueden clasificar en tres grupos principales: elementos metálicos,
aleaciones y compuestos. Los elementos metálicos pertenecen al tipo I, y no ofrecen grandes posibilidades de
aplicaciones practicas. Sin embargo las aleaciones en especial aquellas que contiene elementos de transición
como el Nb−Zr, Nb−Ti y Mo−Re, tienen una Tc alrededor de 10ºK, y un campo magnético critico
relativamente elevado. Estas aleaciones se han utilizado en la construcción de bobinas superconductoras para
imanes. Los mas prometedores son algunos compuestos intermetalicos (anteriormente anunciados) con un
campo magnético muy elevado (210000 Oe). En el cuadro siguiente se proporcionan datos de unos cuantos
materiales superconductores seleccionados, que pertenecen tanto al tipo I con al tipo II.
HISTORIA DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD
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La historia de la superconductividad empieza en 1911 en Leiden, Países Bajos. Allí H. Kamerlingh Onnes
desarrollo las primeras técnicas criogenicas para enfriar muestras hasta algunos grados por encima del cero
absoluto (correspondientes a cero Kelvin, es decir, menos doscientos, setenta y tres grados centígrados). Fue
el primero que consiguió llevar el helio hasta debajo de su punto de luciefaccion (4,2ºK), abriendo así el
campo de las bajas temperaturas. Al principio, Kamerlingh Onnes "monopolizó" completamente este campo,
ya que Leiden fue, hasta 1923, el único lugar del mundo que disponía de helio liquido.
En aquellas épocas se sabia que los metales tiene una resistividad que disminuye de manera prácticamente
lineal con la temperatura hasta unos veinte Kelvin, y se quería saber que ocurría con esta resistividad en las
proximidades del cero absoluto: ¿seguía decreciendo linealmente? ¿tendía, quizás, a un valor constante? O
bien ¿ se remontaría hacia valores muy elevados, característicos de un comportamiento aislante en vez de
conductor? Kamerlingh Onnes se dio cuenta muy pronto de que era necesario disponer de metales muy puros,
si quería obtener resultados libres de toda ambigüedad. Eligió el mercurio, elemento que puede conseguirse
con un alto grado de pureza mediante sucesivas destilaciones y que además es conductor en estado metálico.
De este modo, y enfriando el mercurio a muy baja temperatura, pudo observar un fenómeno nuevo y
totalmente inesperado: a una temperatura de 4,2ºK, el mercurio pasaba bruscamente a un estado en el que,
repentinamente, no ofrecía resistividad alguna al paso de la corriente eléctrica. Esta transición se manifestaba
por una caída muy brusca de la resistividad. Kamerlingh Onnes había descubierto la superconductividad.
Poco después se observo que la misma transición al estado de superconductor se producía en otros metales,
como el plomo o el niobio, a temperaturas criticas ligeramente mas altas. Posteriormente a partir de los años
1930, la superconductividad se observo también en cuerpos compuestos, principalmente en aleaciones
intermetalicas. La elevación de las temperaturas criticas (Tc) fue prosiguiendo a lo largo de los años, con un
progreso lento pero bastante regular. En 1973 la temperatura critica mas elevada fue de 23,3 Kelvin, con una
aleación de niobio y germanio (Nb Ge). Trece años mas tarde la situación era la misma y la mayoría de los
físicos habían acabado por convencerse de que no podía llegarse mucho mas lejos.
En el año 1960 se demostró que el titanato de estroncio (SrTiO) se hace superconductor, pero con una
temperatura de transición muy baja: 0,3 Kelvin. Posteriores estudios analizados en Rüshlikon permitieron
aumentar esta temperatura critica hasta 0,8 Kelvin mediante el dopado del compuesto con niobio.
Diez años mas tardes en 1973, D.C. Johnston y sus colegas obtuvieron un resultado mas significativo con un
oxido de titanio y litio (Li−Ti−O) : una temperatura critica de 13,7 Kelvin. En 1975, A.W. Sleight y sus
colaboradores observaron una transición a 13 Kelvin en un compuesto de valencia mixta: un oxido de bario y
plomo dopado con bismuto (BaPbBiO). En esta formula el subíndice x indica la proporción de bismuto
sustituida en el plomo.
Desde 1986, fecha de su descubrimiento los superconductores de la temperatura relativamente elevadas
plantean difíciles problemas a los teóricos. Todavía no se sabe si el mecanismo responsable del agrupamiento
de los electrones por pares que esta en el origen de la superconductividad es o no similar al de los
superconductores convencionales.
APLICACIONES Y BENEFICIOS
La principal dificultad por vencer, antes de pasar a la fase de las aplicaciones, es producir hilos o bandas
relativamente flexibles de estos materiales frágiles sin alterar sus propiedades superconductoras.
El empleo de hilos superconductores podría evitar entonces el 15% de perdida de energía, por ejemplo, debida
a la resistencia de los hilos eléctricos corrientes. Podrían ser utilizadas pues grandes bobinas superconductras
(imanes) como fuente de energía, con el fin de reducir el derroche causado por los generadores actuales. Estas
bobinas pueden almacenar importantes cantidades de energía en su campo magnético. La corriente puede
circular en ellas sin perdidas, indefinidamente, siendo posible extraerla por simple apertura de un bucle de
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corrientes.
Existen también interesantes perspectivas de aplicaciones en el campo de los circuitos integrados, donde la
velocidad de ejecución esta limitada no por los diferentes elementos del circuito, sino mas bien por las
conexiones, muy resistivas. El empleo de materiales superconductores permitirá paliar este inconveniente y
construir microordenadores mas rápidos, naturalmente a condición de que el circuito pudiera funcionar a la
temperatura del nitrógeno liquido.
El campo de los transportes por sustentación magnética también se ve afectado por las aplicaciones de los
superconductores de alto campo critico. En Japón ya han sido construidos trenes en los que la sustentación se
realiza por medio de imanes suprconductores, aunque no hay contacto entre el vehículo y el rail cuando el tren
esta en marcha. La ausencia de fuerzas de rozamiento permite obtener velocidades del orden de 400Km/h.
Cabe prever que, con el escaso coste del enfriamiento del nitrógeno liquido comparado con el helio liquido, el
interés de estos medios de transportes se vera rápidamente incrementado.
La imagnineria médica, la física de las partículas, la fusión termonuclear, ya usuarias de imanes
superconductores, serán otros campos de aplicación de los nuevos superconductores.
LA TEORÍA BCS DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD
La teoría microscópica estándar de la superconductividad es la teoría BCS, llamada así en honor a K. Bardeen,
L. Cooper y J.R. Schrieffer, que la propusieron en 1957 ( y por la cual les fue concedido el premio Nobel en
1972). Explica perfectamente las propiedades de los materiales superconductores habituales de baja
temperatura critica (superconductores por debajo de 23ºK). El concepto básico de la teoría BCS es la idea del
emparejamiento: a una temperatura lo suficientemente baja, los electrones del metal se asocian en pares,
llamados pares de Cooper, análogos a moléculas. Para romper un par hay que suministrar una energía por lo
menos igual a su energía de enlace. No es de extrañar, pues que el superconductor no pueda absorber energías
inferiores a un cierto valor critico (llamado banda prohibida del superconductor).
Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un metal ordinario, los electrones en movimiento pueden sr
desviados por impurezas o por los movimientos de la red cristalina. Estas colisiones son responsables de la
resistencia eléctrica del metal. pero cuando se hace pasar a un supercondcutor por una corriente eléctrica, los
pares de Cooper se mueven de un modo coherente. Simplificado, todos ellos, efectúan el mismo movimiento
(esta propiedad esta ligada al hecho de que, contrariamente a las moléculas ordinarias, los pares de Cooper se
interpenetran ampliamente).
Un electrón no puede ser desviado individualmente y la resistencia eléctrica desaparecer. Como en las
moléculas ordinarias, los pares se forman porque hay una fuerza de atracción entre los electrones. En los
superconductores de baja temperatura critica, esta atracción se debe a la interacción de los electrones con las
vibraciones de la red cristalina.
Los cuantos de estas vibraciones se llaman fonones; son los análogos de los fotones luminosos. Pero este
mecanismo particular de la atracción entre dos electrones no es un ingrediente esencial de la teoría BCS. Se
puede considerar también una interacción en que intervengan las fluctuaciones de los momentos magnéticos
de los iones de cobre. Actualmente, hay solidas pruebas en favor de la existencia de pares de Cooper en los
superconductores de alta temperatura critica. Por contra, el mecanismo de formación de estos pares es objeto
de gran controversia.
LOS SUPERCONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA
Desde que la superconductividad fue descubierta en 1911 y hasta 1986 no había conseguido encontrar Tc
elevadas (la mayor era de 23ºK), lo que exigía los materiales fueran enfriados a la temperatura del helio
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liquido (4,2ºK), lo cual era muy caro y necesitaba de una tecnología muy sotisficada.
Pero en 1986 se descubre un compuesto a base de óxidos de Cobre, Lantano y Bario (ÇBaLaCuO) que se
vuelve superconductor a 35ºK. Esto provoco una fiebre de estudios en tres direcciones preferentemente. La
primera fue la búsqueda de nuevos compuestos a fin de obtener una Tc cada vez mas elevada. En 1987 se
supera la temperatura del Nitrógeno liquido (77ºK) con un compuesto a base de Itrio, Bario y Cobre que sigue
siendo el mas estudiado (YBa2Cu3O7). Fue un paso importante porque ya se comienza a pensar en sus
aplicaciones a gran escala, ya que el Nitrógeno liquido es diez veces mas barato que el Helio liquido.
La segunda dirección es la mejora de los métodos para sintetizar estos materiales.
La tercera es la comprensión de sus propiedades físicas (eléctricas, magnéticas y ópticas).
Este estudio se realiza para dos fases:
Fase normal (por encima de la temperatura critica), en la que se intenta saber si estos nuevos óxidos
metálicos pueden clasificarse como metales tradicionales.
Y Fase superconductora (por debajo de Tc), en la que se intenta determinar si las propiedades de estos
nuevos compuestos pueden ser o no descritos por la teoría clásica BCS.
La síntesis de estos materiales y su estudio sigue siendo un campo importante de investigaciones.
Las observaciones de planos atómicos sucesivos en microscopia electrónica han relevado a menudo, la
existencia de nuevas fases y se especula con la posibilidad de sintetizarlos. También se correlaciona cada vez
mejor los defectos en sentido amplio (diferencias estiquiometricas, impurezas) con el desorden y las
propiedades de los distintos compuestos.
Las estructuras cristalograficas de estas familias de óxidos de Cobre han resultado ser bastante próximas y se
caracterizan por la presencia de planos Cobre−Oxígeno llamados planos CuO2.
Debemos hacer constar que También se han sintetizado óxidos de estructuras cubicas sin Cobre o compuestos
a base de carbono, cuya estructura tridimensional y composición química no se asemejan a las de los óxidos a
base de cobre, es decir, hay varias clases de superconductores de alta temperatura critica.
Los nuevos compuestos mas prometedores vienen en forma de películas delgadas, debido a que en los
cristales usuales se pueden observar numerosos defectos de todo tipo y a todas las escalas susceptibles de
influir fuertemente en las propiedades físicas y en cambio en las capas delgadas se pueden aislar un defecto
especifico, estudiarlo e incluso sacarle provecho.
Es También en las capas débiles donde hoy se registran las mayores densidades de corriente (intensidad por
cm2 de sección).
Pero las fuertes densidades de corriente son un requisito indispensable para las aplicaciones que necesitan
corrientes importantes o campos magnéticos intensos.
Hay un limite absoluto para la densidad de corriente que puede recorrer un superconductor sin disipación de
energía. Según la teoría BCS, esta limitación viene dada por la energía cinética que adquieren los pares de
Cooper, cuando esta energía supera la de desacoplamiento, destruye los pares y con ellos la
superconductividad y restaura el efecto Joule.
TAMBIÉN hay otras causas, como impurezas o defectos cristalinos, que hacen que la densidad de corriente
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critica medida sea inferior al limite teórico, estimado en 1010 A/cm2.
Pero es muy frecuente que la corriente critica medida disminuya en presencia de un campo magnético, por
razones que tienen que ver con la naturaleza de los defectos, que limitan su valor y con la aparición en un
campo magnético de nuevas fuentes de disipación todavía mal conocidas.
Las prestaciones son apreciadas entre los superconductores de alta y baja temperatura. Sin embargo, subsiste
el problema de desarrollar nuevos compuestos en forma de hilos reutilizables.
Los físicos tratan de comprender mejor las propiedades de estos compuestos, que son muchos mas complejas
que las de los elementos superconductores a baja temperatura.
Para el estudio en la fase normal, se concibió el nivel de Fermi, este nivel aparece por el principio de
exclusión de Pauli, que prohibe que dos electrones se encuentren en el mismo estado; ello obliga a ocupar
niveles de energía cada vez mayor, hasta uno de energía máxima, denominado nivel de Fermi. La detección
del nivel de Fermi en fase normal de los óxidos superconductores se realiza mediante el efecto fotoeléctrico o
fotoemision, es decir, la emisión de electrones arrancados al metal cuando este es irradiado por una onda
electromagnética de alta energía. La medida de la energía electrónico de que ocupan inicialmente en el
compuesto.
Pero este método no es muy fiable o muy complicado, porque es un método muy sensible a cualquier
deterioro fisicoquímico de la superficie del material.
Los resultados actuales, en el estado normal, ascienden en establecer la existencia de una energía máxima para
los fotoelectrones lo cual es compatible con la existencia con un nivel de Fermi. Los experimentos ópticos en
el infrarrojo ayudan. Si el metal es conductor perfecto, toda la luz se refleja a causa de la completa libertad de
movimiento de los electrones, coas que no ocurre en un metal ordinario. Es decir, hay una relación directa
entre la conductividad de un metal y su capacidad de reflejar la luz.
Para comprender la fase normal, se siguen dos caminos:
El primero es mejorar la descripción en términos de líquidos de Fermi o habrá que renunciar totalmente a ella.
Este ultimo punto de vista es el que ha adoptado hace ya varios años el teórico P.W. Anderson, de la
Universidad de Princeton, en Estados Unidos. SEGÚN él, contrariamente al caso del liquido de Fermi, en el
que los electrones son portadores de una carga eléctrica y de un "espin" (momento cinético intrínseco), estas
dos magnitudes están disociadas en el estado normal de los nuevos compuestos. El trasporte de carga correría
a cargo de los "holones" (partículas sin carga pero con espin) transportarían el espin. Por ahora este modelo
tiene una sola dimensión espacial. Se supone que estos conceptos son extensibles a la geometría
bidimensional de los planos Cobre−Oxígeno de los óxidos superconductores.
La caracterización de la fase superconductora ha progresado en gran parte gracias a la mejora de la calidad de
las muestras. En lo tocante, a estudios fundamentales, el mejor terreno, pese a su reducido tamaño, es el de los
monocristales, pues se puede acceder a todas las orientaciones cristalograficas y estudiar como las
propiedades del compuesto dependen de la dirección espacial considerada. Uno de los progresos mas recientes
ha consistido en hacer crecer monocristales carentes de ciertos defectos inherentes a la estructura metálica de
dichos materiales.
Los resultados mas notables de reflectividad en fase superconductora se obtuvieron en 1990 con un cristal
desprovisto de defectos. El equipo IBM observo en el infrarrojo lejano un coeficiente de reflexión
estrictamente igual a la unidad característico de un conductor perfecto, pero únicamente en la dirección X.
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A partir de una cierta frecuencia, la reflecitividad deja de ser total. Es importante poder localizar dicha
frecuencia, pues de ella se deduce el valor de la banda prohibida, que corresponde a la energía necesaria para
romper un par de Cooper. Pero una predicción fundamental de la teoría BCS es que la banda prohibida
expresada en Kelvin, es igual a 3,5 veces la temperatura critica. El valor 3,5 es importante porque esta ligado
a la intensidad de reacción de los electrones, una interacción que esta en el origen de los pares de Cooper, 3,5
significa un acoplamiento débil entre la red cristalina y los pares de electrones.
La medida del equipo IBM sitúa la banda prohibida cerca de 700ºK, valor muy superior a la temperatura
critica de 90ºK. El factor de 3,5 queda pues ampliamente rebasado. Las medidas por efecto fotoeléctrico por
debajo de Tc confirma la presencia de un umbral de energía, aquí También dos veces mayor que el valor
previsto por la teoría BCS.
Actualmente se dispone de muchos experimentos que concuerdan en asignar al cociente entre la banda
prohibida y la temperatura critica un valor muy superior al que prevé la teoría BCS para un acoplamiento
débil. Estos resultados sugieren que la teoría clásica a de tener en cuenta un acoplamiento fuerte, tal vez con
los fonones, es decir, con las vibraciones de la red cristalina. Pero se consideran También otras interacciones,
por ejemplo con las fluctuaciones colectivas de los momentos magnéticos de los iones de Cobre.
LAS SUPERREDES DE SUPERCONDUCTORES
Su estructura cristalina natural, comparada con la de la mayoría de superconductores clásicos, que son
generalmente metales elementales o aleaciones metálicas, es compleja. Esta formada por un apilamiento de
capas de átomos de distinta naturaleza. Para comprender mejor el papel de estas capas, los investigadores
empezaron a manipular dichos óxidos y a fabricar unas estructuras artificiales, las superredes
superconductoras. Estas superredes están formadas por capas delgadas del superconductor a estudiar,
alternando con capas de otros materiales, cuya composición y cuyo espesor se hacen variar a voluntad.
Para comprender mejor los nuevos materiales que han ido apareciendo en los últimos años hay que dilucidar
la relación entre su estructura cristalina y su superconductividad. Ahí es donde ha resultado muy útil la
fabricación "a medida " de apilamientos de finas capas de tales superconductores : las superredes. ¿que son
las superredes?. Partiendo de la idea de que los óxidos superconductores de alta temperatura cristalina por si
mismos en l estructura en capas, era tentador para el experimentador invertir en la formación de dichas capas,
modificar su apilamiento natural y su composición química, a fin de construir toda una panoplia de materiales,
las superredes, auténticos híbridos que ayudarían a forjar los conceptos importantes.
Estas estructuras artificiales están formadas por superposición de capas ultradelgadas de uno o mas
compuestos, superconductores o no. Cada capa consta de un numero variable de planos atómicos, que puede
estar comprendido entre uno y varias decenas. Cuando una capa es lo bastante gruesa, los planos atómicos se
disponen por si mismos como en el material masivo, y se esta en presencia de una doble periodicidad en la
dirección perpendicular a las capas. La periodicidad creada artificialmente, de Ahí el nombre de superred.
Las superredes de óxidos superconductores fueron realizadas por primera vez en la Universidad de Ginebra en
1989 y luego muy rápidamente al año siguiente en Estados Unidos.
La temperatura critica disminuye rápidamente al aumentar la distancia entre capas superconductoras
sucesivas. Esta explosión de actividades esta ligada a las sorprendentes posibilidades que ofrecen las técnicas
de punta de posición de capas delgadas, con la epitaxis por pulverización catódica o por chorros moleculares.
Esta ultima técnica debe sus rápidos progresos a las exigencias de la fabricación de las superredes
semiconductoras.
¿ De que se trata? Es un recinto a vacío, se dirigen uno o varios chorros de átomos o de moléculas sobre un
substrato en el que se depositan. A medida que los átomos van llegando, se va construyendo el cristal, que
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puede formarse sin ningún defecto si el proceso se lleva cabo cuidadosamente. Para formar las superredes de
óxidos superconductores, los chorros contienen una mezcla de los átomos necesarios en proporciones
calculadas de antemano. El amontonamiento de losa tomos puede detenerse en todo momento tras el deposito
de un cierto numero de planos atómicos, para proceder luego al deposito de otra capa de distinta composición.
Aplicando tales técnicas a los óxidos superconductores, cabe pensar en fabricar estructuras dentro de las
cuales se ha modificado el numero de planos CuO2 de una malla elemental (en los materiales masivos, la
temperatura critica depende del numero de planos de CuO2 por malla elemental). También se puede cambiar
la secuencia de apilamiento entre los grupos de planos de CuO2 y luego observar como estos cambios
estructurales modifican la temperatura critica.
Los primeros resultados de los experimentos, en la Universidad de Ginebra 1989, superaron las previsiones
mas optimistas. El examen por rayos X demostró que las superredes preparadas por pulverización catodia
tienen una calidad cristalina superior a la de las capas simples. Se llega incluso a depositar las capas malla
elemental por malla elemental, lo cual corresponde a espesores extremadamente débiles, del orden de 12
angströms, el compuesto mas utilizado en estos experimentos ha sido, YBaCuO.
Por medio de estas superredes, en las que alternan capas de YBaCuO y de PrBaCuO se ha estudiado la
evolución de las propiedades superconductoras con el espesor de las capas. En 1990 se demuestra que la
temperatura critica decrece rápidamente cuando aumenta la distancia entre los grupos de planos de CuO2.
La superconductividad aparece pues a una temperatura mucho mas baja en una capa formada por una malla
aislada de YBaCuO que en una capa gruesa cuya temperatura es de 90ºK. para obtener una elevada
temperatura critica parece importante apilar las mallas lo cual sugiere que las mallas no se comportan
independientemente unas de otras.
Se produce un nuevo fenómeno que es un "ensanchamiento" de la transición, el material no pasa bruscamente
el estado superconductor a una temperatura dada sino que va perdiendo paulatinamente su resistencia al
disminuir la temperatura.
La interpretación de estos resultados es objeto todavía de muchas investigaciones. En cambio de la
temperatura de transición superconductora al separarse los planos de CuO2 indica que el acoplamiento entre
planos contribuye a aumentar esta temperatura. No obstante, todavía no se ha descubierto la manera de como
el acoplamiento modifica la temperatura critica. El ensanchamiento de las transición esta vinculado a la
aparición espontanea de "vórtices" de corriente en los superconductores de dos dimensiones.
Pero ¿que es un vórtice? Se trata de un torbellino de corrientes eléctricas espontaneas, las supercorrientes, que
pueden aparecer en el superconductor en ausencia de tensión aplicada. En los superconductores
convencionales, los vórtices solo aparecen en presencia de campo magnético y pueden visualizarse como
largos torbellinos de corriente que atraviesen el material.
En los óxidos superconductores, sin embargo, la situación es distinta. Ante todo, en las capas
cuasidimensionales como las que aquí nos interesan, los vórtices pueden aparecer espontáneamente en
ausencia de campo magnético.
Los vórtices nacen por pares y cada vórtice esta ligado a un antivortice en el que la corriente circula en sentido
contrario. Como la energía de un vórtice es proporcional a su longitud, cuanto mas delgadas son las capas,
mas fácil es crear estos pares vórtice/antivortice. A baja temperatura, ambos están ligados. Al aumentar la
temperatura es de esperar que estos pares se disocien a una cierta temperatura característica. El punto crucial
es que estos vórtices se volverán independientes, unos de otros, por encima de esta temperatura. Dicho
movimiento consume energía y todo ocurre como si en el material apreciase una resistencia eléctrica. La
temperatura a la que se disocian los vórtices es pues la temperatura de transición del sistema ya que, por
encima de ella, la resistencia deja de ser nula. Lo esencial es que esa temperatura de transición es mas baja
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que la temperatura critica del material grueso. Cuanto mas delgada es la capa, mas se reduce la temperatura
critica. Así, el intervalo de temperatura en el que se encuentran los vórtices libres aumenta: es el
"ensanchamiento" observado por los investigadores. Esta transición, llamada BKT, encierra todavía muchos
misterios. Las superredes claro esta, son los instrumentos idóneos para resolver la controversia, ya que
permiten relacionar de un modo continuo la malla única y el superconductor masivo.
ACTIVIDADES INVESTIGADORAS EN ESPAÑA
1. Conductores Mixtos Obtenidos por Limitación Química de los Superconductores de Alta Temperatura y
Materiales Relacionados (Alario Franco M.A., Amador U., Rial C., Moran E., Señaris M.A., Varez A.).
2. Microestructuras y Propiedades Físicas de Fibras Compuestas Metal−superconductor de BiPbSrCaCuO
(Badia A., de la Fuente G.F., Lera F., Larrea A., Ruiz M.T., Navarro R.).
3. Estrategias para la Síntesis de Óxidos Superconductores y Fases Relacionadas los métodos Químicos
(Beltran D., Beltran A., Ibañez R., Sapiña F., Sanchis M.J., Primo V., Miao H., Garcia J., Carrasco m.,
Amoros P., Folgado J.V., Escriva E., Martinez E.)
4. Superconductividad y Quimica estructural de algunos Cupratos de Bismuto y Lantano (Caldes M.T.,
Navarro J.M., Carrera M., Perez F., Martinez B., Obradors X., Fontcuberta J., Casañ−Pastor N.,
Gomez Romero P.).
5. Texturacion por Zona Fundida en el YBa2Cu3O7 : Desarrollo de Superconductores con Altas corrientes
Criticas (Catalan Y., Corrales A.R., Gomis V., Piñol S., Castello D., Carrera M., Martinez B., Fuertes
A. y Obradors X.).
6. Estructura Electronica y Superconductividad no Fononica (Costa−Quintana J., Puig−Puig L. y Lopez −
Aguilar F.).
7. Cupratos Superconductores Electronicos : Crecimiento Monocristalino y Propiedades d elos EStados
Normal y Superconductor (Crusellas M.A., Fabrega L., Fontcuberta J., Martinez B., Obradors X., piños
S. y Rouco).
8. Logros en Hilos y Cintas CSAT mediante el Metodo de Polvos en Tubo (de la Fuente G.F., Huang Y.B.,
Angurel L.A., Larrea A., Ruiz M.T., Lera F. y Navarro R.).
9. Medida con un Metodo inductivo de Corrientes Tipicas en los Oxidos del Cobre Superconductores
(Domarco G., Diaz A., Cabeza O., Maza J., Pomar A., Torron C., Veira J.A. y Vidal F.)
10. Algunos Aspectos de la Superconductividad de Potencia Aplicada en España (GArcia−Tabares L.,
Iglesias I., Tamarit J., Bermardos A., Cubert J., Iturbe R., Borra M.A.R., Rillo C., Camon A. y Siegel
N.)
11. Magnetometro de Alta Sensibilidad Basado en Superconductores Ceramicos de Alta Temperatura (Lera
F., Rillo C., Giordano J.L., Martinez A. y Angurel L.A.,)
12. Superconductividad en URu2Si2 Dopado con Impurezas no magneticas : Posible Evidencia de
Superconductividad no convencional (Lopez de la Torre M.A., y Maples M.B.).
13. FAbricacion y propiedades Fiscias de Peliculas Delgadas de Superconductores de Alta Temperatura (
Martin J.L., CAgigal M., Colino J., Gonzalez M.A. y Vicent J.L.)
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14. Preparacion y Caracterizacion de Capas Delgadas de Bi−Sr−Ca−Cu−O mediante Ablacion Laser (
Martinez D., SEgura A., Muñoz V., Martinez Tamayo E. y Carrasco R.)
15. Teoria de la Ceramica Superconductoras desde los Granos. Medio efectivo, uniones y Campos Magneticos
(Navarro R.).
16. Peliculas Gruesas Superconductoras Depositadas por Plasma Spray sobre Substratos Metalicos (Pont M. y
Muñoz J.S.)
17. Estudio de Materiales Superconductores y oxidos relacionados (Rasines).
18. Barreras de Superficie en Superconductores de Alta Temperatura (Sanchez A. y Chen D.).
19. Aplicaciones de la Superconductividad en la Metrologia Cuantica : Patrones de Voltaje y Resistencia
(Rillo C., Camon A., Lamana J.M., Lera F., Navarro R., Lopez M., pinto P. y Lorenzo L.).
20. Y muchas otras mas.
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