En 1986 J. Georg Rednorz y K. Alex Müller del Laboratorio IBM en Zurich se dieron cuenta de que en unas cerámicas conocidas hacia ya una década yacía la clave de un descubrimiento portentoso, capaz de revolucionar por entero la investigación y la tecnología. Se trataba de un compuesto de cobre, oxígeno, lantano y bario, con la notable propiedad de que, enfriado por debajo de 40 grados Kelvin (temperatura medida a partir del cero absoluto), su resistencia al paso de la corriente eléctrica se anulaba por completo. (1)

Cuando Rednorz y Müller realizaban su descubrimiento, el campo de investigación de sustancias superconductoras con temperaturas de transición cada vez más altas parecía estar ya enteramente agotado. En realidad, el tema había llegado a su madurez a fines de la década del 50, con el desarrollo de los superconductores de metales de transición. Precisamente, una variante de éstos, un compuesto de niobio y germanio, poseía, hasta la aparición del compuesto de Rednorz y Müller, la temperatura de transición más alta conocida, igual a 23,2 grados kelvin.

En febrero de 1987, Maw-Kuen Wu de la Universidad de Alabama, y Ching-Wu Chu de la Universidad de Houston, reemplazaron el lantano del compuesto de Rednorz y Müller por itrio, y obtuvieron un nuevo compuesto con una temperatura de transición a la superconductividad de 93 grados kelvin. Poco después Robert J. Cava y sus colaboradores de los laboratorios AT&T Bell determinaron la estructura de este compuesto -llamado popularmente 1-2-3 porque ésta es la proporción del itrio relativa al bario, relativa al cobre, en su composición. (La cantidad de oxígeno es variable y de ella depende en forma crucial, como veremos, su temperatura de transición.) Este descubrimiento de Wu y Chu tiene una clara importancia técnica: como la temperatura a la que es necesario enfriar el compuesto es superior a los 77 grados kelvin, se puede utilizar como refrigerante nitrógeno liquido, que es barato y ampliamente accesible, en lugar del escaso y costoso helio líquido requerido por los superconductores tradicionales (2).

Una consecuencia natural de estos descubrimientos consistió en que decenas de miles de físicos e ingenieros de materiales se dedicaron a investigar en un tema que parecía tan interesante y promisorio. Se encontró, así, alrededor de una docena de superconductores de alta temperatura, entre los cuales la transición más alta (125 grados) la posee un compuesto de talio, calcio, cobre y oxigeno. Otros científicos se dedicaron a medir propiedades selectas de los nuevos compuestos, con la intención de averiguar cuáles son los mecanismos microscópicos que provocan el fenómeno. (En particular se trataba de investigar si estos mecanismos son semejantes o no a los que causan la superconductividad en los metales convencionales, cuyo origen es bien comprendido.) Finalmente, la actividad combinada de un gran número de científicos notables produjo centenares de teorías para explicar las novedosas características de la superconductividad de alta temperatura. Algunos de estos modelos teóricos llevan cursos paralelos a los aplicables a los superconductores tradicionales; mientras que otras teorías (con mayor probabilidad, quizás, de ser ciertas) invocan mecanismos ingeniosos, con nuevas y extraordinarias propiedades.

Nuestra comprensión actual de las propiedades de estos compuestos depende fuertemente del conocimiento de su estructura, esto es, del modo como los átomos que los componen están colocados unos con respecto a otros. En realidad, estos materiales - con capas de óxidos metálicos apiladas en varias secuencias, con los átomos en coordinación poco usuales- poseen una elegancia y una complejidad estructural que no tienen análogo en los superconductores tradicionales.

La característica crítica de los nuevos superconductores reside en la existencia de planos corrugados de óxido de cobre (Cu O₃). En ellos, cada átomo dé cobre está unido en un fuerte enlace covalente con cuatro átomos de oxígeno a una distancia de unos 1.90 Angstroms. En el caso del compuesto llamado 1-2-3, dos de estos planos, separados por una capa de átomos de itrio, forman la llamada capa de conducción (Fig. 1). Es en esta capa en donde tiene lugar la superconductividad, que es en este caso (y a diferencia de los superconductores de baja temperatura) un fenómeno esencialmente bidimensional. Entre cada capa de conducción está intercalada una estructura formada por átomos de bario y cobre, coordinados con otros átomos de oxígeno, llamada capa depósito de carga. Se tiene así que el cobre tiene en este compuesto dos papeles distintos: dos átomos por celda unitaria participan activamente en la superconductividad en la capa de conducción, mientras que un tercero reside en la capa depósito de carga. Son justamente los resultados de investigaciones recientes que, al aclarar la influencia que tiene este tercer átomo en la temperatura de transición superconductora, han arrojado una nueva luz sobre este fenómeno.

Idealmente, el compuesto tiene una estructura cristalina perfecta, en la cual la celda unitaria se repite en forma idéntica en las tres dimensiones del espacio. En este caso, y cuando la cantidad de oxígeno es la máxima posible, la capa depósito de carga está compuesta de unas bandas de cuadrados de coordinación, con átomos de cobre en cada centro, y átomos de oxígeno en los vértices. La característica crucial de esta estructura reside en la existencia de cadenas unidimensionales -Cu-0-Cu-0- que se extienden en la dirección del eje b. (Figura 1). Debido a la existencia de estas estructuras, las direcciones b y c no son equivalentes. En un caso como éste, en que en las tres direcciones espaciales el orden es de distinto tipo, la estructura cristalina se denomina ortorrómbica. (Esta en particular se denomina ortorrómbica 1.)

Si se disminuye la cantidad de oxígeno contenido en el material, se pueden tener otras estructuras ordenadas. La estructura mostrada en la figura 2 por ejemplo (llamada ortorrómbica II), tiene las cadenas O-Cu-O alternadas con cobre coordinado con oxígeno en estructuras lineales.

Finalmente, existe la posibilidad de que la capa depósito de carga esté desordenada, con los cuadrados de coordinación dispuestos al azar en las direcciones b y c, yuxtapuestos con otras formas de coordinación del cobre distribuidas también en forma aleatoria (Fig. 3). Claramente, en este último caso las direcciones b y c son en promedio equivalentes, por lo que esta estructura se denomina tetragonal. Notamos que, por último, si bien al variar la cantidad de oxígeno varían también un poco las distancias entre los átomos, en realidad estos cambios son casi irrelevantes. Los cambios de fase de ortorrómbico I al II o al tetragonal se obtienen esencialmente sólo cambiando el número y la distribución de los átomos de oxigeno en la capa depósito de carga.

La profunda relación entre las propiedades estructurales y superconductoras en estos compuestos es bien conocida. Se sabe, por ejemplo, que es la estructura ortorrómbica l la que tiene una temperatura de transición de 93 grados kelvin, mientras que la fase tetragonal no es jamás superconductora. Resultados teóricos recientes parecen demostrar casi con certeza que cada una de las fases, de existir en forma aislada, tendría una temperatura de transición determinada. Así por ejemplo, la fase ortorrómbica II es un material que se tornaría superconductor a los 58 grados kelvin.

No es fácil investigar este último hecho en la práctica. Los experimentos mediante los cuales se ha explorado la estructura de estos compuestos por difracción de neutrones o rayos X han mostrado que existe siempre una mezcla de diferentes fases, pero la fracción de volumen que ocupa cada fase no ha podido ser medida.. El problema reside en que el orden es a menudo de corto alcance, de modo tal que los dominios de menor tamaño no pueden ser vistos con estas técnicas. En particular, como los experimentos de difracción muestran regiones de un tamaño de cientos o miles de Angstroms, pueden, por ejemplo, asignar a un material una estructura tetragonal, cuando en realidad es ortorrómbica a escala local.

En febrero del presente año, Henning Fris Poulsen, Niels Hessel Andersen, Jorgen Vitting Andersen, Henrik Bohr y Ole G. Mouritsen, del Laboratorio Nacional de Riso y de la Universidad Técnica de Dinamarca publicaron los resultados de una investigación que, utilizando técnicas novedosas y a partir de hipótesis simples, es capaz por vez primera de proporcionar resultados cuantitativos que relacionan temperaturas de transición a la superconductividad con propiedades estructurales (Fig.4). Para hacer esto, los investigadores simularon el plano central de la capa depósito de carga del compuesto 1-2-3- en el interior de un computador. Haciendo completamente aleatoria inicialmente la ocupación de los diversos sitios posibles por los átomos de oxígeno, por ejemplo, se pudo simular el tipo de experimento en que el material se prepara a temperatura alta antes de que sean medidas sus propiedades superconductoras. Además, utilizando un método llamado Monte Carlo (debido a que las transiciones de un sitio posible a otro por los átomos de oxígeno son generados en forma aleatoria de acuerdo a los resultados de hacer girar una ruleta computacional) se puede hacer sufrir al material ficticio que habita en la memoria del computador tratamientos térmicos simulados que pueden ser examinados en detalle.

Provistos de este microscopio de extraordinario aumento, capaz de hacer visibles contribuciones de dominios con dimensiones del orden de unas pocas celdas unitarias, los investigadores fueron capaces de hacer observaciones inéditas. Se tiene así que existe una clara tendencia para la formación de cadenas 0-Cu-0, de tal modo que los defectos, ya sea la presencia de átomos de oxígeno supernumerarios o bien las vacancias, o sea, la ausencia de tales átomos, tienden también a alinearse en cadenas en lugar de distribuirse en forma aleatoria. Se pudo observar también la manera en que progresa el desorden estructural como función de la cantidad de oxígeno y de la temperatura de preparación. Así, al cambiar alguna de estas condiciones, una nueva fase crece a expensas de la otra, formando islotes; en ocasiones diluidos por vacancias. Se tiene, por último, que, si se supone que solamente dominios ordenados de oxígeno de un tamaño último, que, si se supone que solamente dominios ordenados de oxigeno de un tamaño mayor que un cierto mínimo pueden contribuir al estado superconductor y tomando en consideración dominios de ortorrómbico I con una temperatura de 58 grados, se puede calcular con gran precisión la relación entre la temperatura de transición del compuesto 1-2-3 y el exceso de oxígeno sobre seis átomos por celda (Fig 4); en completo acuerdo con las mediciones que había realizado J. Cava y sus colaboradores, e incluyendo la meseta previamente inexplicable que aparece alrededor de 6,6 átomos de oxigeno por celda.

¿Cuál puede ser la relevancia futura de estos resultados? Dos, creo yo, pueden ser sus consecuencias más perdurables. En primer lugar, como lo indica James D. Jorgensen (por su parte un distinguido investigador experimental en este tema) en un artículo acerca del trabajo de Poulsen y colaboradores (4), existe una amplia variedad de misteriosas relaciones entre cambios de fases cristalográficas y propiedades superconductoras. Todos estos misterios pueden ser investigados y probablemente aclarados por medio de "experimentos" computacionales semejantes al descrito aquí. En segundo lugar, el conocimiento preciso de la estructura cristalográfica de un material dado junto con la temperatura de transición a la cual necesariamente corresponde, impondrá nuevas y más fuertes exigencias a las teorías existentes de la superconductividad de alta temperatura, permitiendo quizás descartar mejor a un número de ellas por inadecuadas. Además, con un poco de suerte, este nuevo conocimiento proporcionará valiosas claves para construir la teoría definitiva de este enigmático y apasionante fenómeno.



L.A. Moraga

Lab. De Sólidos,
Facultad de Ciencias
de la Universidad de Chile.


Para saber más


(1) J. Georg Rednorz y K. A. Múller: "Posible superconductividad de alta temperatura en el sistema Ba -La- Cu"; Zi¡tschdft fur Phys¡k, vol 8 64 p. 189 (1986).

(2) Proc. 19th mt. Conf. on Low Temperature Phys. (LT 19), vols. I y II, Physica B vols. 165 y 166 (1990); D.M. Ginzberg (ed.) "Physícal Properties of High Temperature Superconductors", Wold Sc¡entific, Singapore (1989, 1990); k.S. Bedell D. Coffey, D.E. Meltzer, D. Pines, J.R. Schrieffer (eds.) High Temperature Superconduct¡vfty Addison-Wesley, Redwood (1990).

(3) Henning Fris Poulsen, Níels Hessel Andersen, G. Mouritsen: "Relación entre la temperatura de transición a la superconductividad y el orden de los oxígenos en Y Ba2 Cu3 O6+k"; Nature, vol 346, pp. 594-596 (14 de febrero de 1991).

(4) James D. Jorgensen: "Poniendo orden en el oxígeno"; Nature, vol 346, pp. 565-566 (14 de febrero de 1991).