Una cosa es producir electricidad y otra transportarla a los lugares que la necesitamos. Ella se transporta por cables metálicos para que llegue a los distintos lugares de los usuarios, para mover los motores, prender las luces, que se produzca calor o se encienden las computadoras. El problema está en que los cables metálicos presentan resistencia al flujo de la corriente eléctrica, lo que se traduce en una pérdida considerable en forma de calor. El ideal sería que no fuera así, y que la corriente fluyera sin que hubiese pérdidas. Es aquí donde se han centrado las expectativas en los llamados "superconductores", que son materiales que en determinadas circunstancias no presentan resistencia a la corriente eléctrica y que por lo tanto, ésta no se disipa como calor durante la transmisión de la energía eléctrica.

¿Cómo y en qué condiciones algunos materiales logran esta propiedad?. Normalmente la corriente en un material conductor es llevada por electrones que fluyen a través de él. Ello es posible en algunos materiales porque tienen una estructura consistente en un enrejado regular y cristalino de átomos. Cuando se le aplica corriente, algunos electrones se rompen y se liberan del átomo, y quedan disponibles para transportar la corriente eléctrica. Estos electrones son los que se han llamado "electrones de conducción". Los átomos que pierden el electrón pasan así a ser "iones" cargados positivamente.

Si el enrejado es regular y cristalino, los electrones pueden moverse libremente, pero si se encuentran con cualquier alteración en la regularidad, su libre flujo se obstruye y causa resistencia. En general, en los cables hay dos grandes causas de resistencia eléctrica. Primero, la existencia de imperfecciones en la estructura cristalina del enrejado, que puede ser causada por la presencia de átomos impuros o por vacíos producidos por la falta de un átomo dentro de la estructura del mismo. Cada vez que el electrón choca con una irregularidad, pierde energía.

En segundo término, hay que considerar que pueden existir vibraciones del enrejado. Si el metal está a temperaturas sobre el cero absoluto, vibran los iones que constituyen el enrejado. El movimiento ondulatorio se expande como ondas a través de él. Del mismo modo que sabemos que la luz puede ser al mismo tiempo una onda o una corriente de partículas llamadas fotones, también podemos describir las vibraciones de un sólido, tanto como ondas o partículas. En este caso las partículas se llaman "fonones".

En un buen conductor, como es el caso del alambre de cobre a la temperatura ambiente, existen muchos fonones que se están moviendo muy rápidamente. En la medida que la corriente fluye a través del metal, los electrones que transportan la corriente, frecuentemente chocan con los fonones, siendo ésta la principal causa de resistencia del material (fig. 1).


¿Cómo conseguir la resistencia cero?

El ideal es que la corriente se conduzca sin pérdida de energía y los físicos hace tiempo que están buscando esta posibilidad. A comienzos del siglo XX ellos ya habían podido observar que la resistencia de un alambre de metal disminuía si éste se lograba enfriar. En estas condiciones las vibraciones del enrejado disminuían, facilitando así el flujo de los electrones. También habían observado que era importante la pureza del metal. A una temperatura cercana al Cero absoluto (0 grados Kelvin), un metal puro presentaba un mínimo de resistencia. Se podía suponer entonces que si la temperatura descendía a cero absoluto, y el metal era puro, la resistencia llegaría también a cero. Desgraciadamente es muy difícil, o imposible, bajar la temperatura a cero absoluto. Por otra parte, no es práctico enfriar los cables eléctricos hasta una temperatura cercana al cero absoluto.

Fue en 1908 que el físico holandés Kamerlingh Onnes pudo licuar el helio y con ello alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto. Rápidamente construyó un refrigerador "ultrafrío" y comenzó a estudiar las variaciones de las propiedades eléctricas de diversos metales sometidos a esas temperaturas.

Encontró que en la mayoría de los metales disminuía la resistencia eléctrica en la misma medida que éstos se enfriaban. Si además la muestra era pura, la resistencia disminuía más, hasta acercarse a cero. Sabiendo Onnes que era fácil purificar el mercurio, trabajó con este material conductor hasta fabricar una fina hebra de mercurio de alta pureza. Observó que a una temperatura por debajo de los 4.2 grados K, bruscamente caía la resistencia de 0.11 Ohms, a casi cero. Luego, perfeccionando su técnica, logró detectar resistencias tan bajas como 10-5 Ohms. Cuando más tarde, en 1911, dispuso de métodos más sensibles, vio que la resistencia caía en un factor de por lo menos 10¹⁰. Las condiciones de superconductividad se mantenían hasta una temperatura por debajo de 4.15 grados K (equivalente a menos 270 grados centígrados). Cuando repitió el experimento con estaño, observó que su resistencia también caía a cero a una temperatura de 3.7 grados K.

Pronto quedó claro que la resistencia de algunos metales, incluyendo el mercurio, caía bruscamente a cero a una determinada temperatura. Esta pasó a denominarse "temperatura crítica" (Tc) (fig. 2). Más aún, cuando se lograba la superconducción en un anillo de un cable metálico, se le podía introducir más corriente y ésta continuaba fluyendo indefinidamente. Onnes usó una aguja de compás para mostrar el campo eléctrico generado en el anillo, y se maravilló al ver que la aguja permanecía deflectada por 24 horas o más.

Muchos metales y aleaciones, puestos en iguales condiciones de temperatura, también mostraban las propiedades de superconducción. Los mejores resultados se obtenían con aleaciones tales como niobium-estaño y niobium-aluminio, ya que con ellas se lograba la superconducción con temperaturas más altas de 20 grados K. Pero por otra parte, algunos metales nunca adquirían las características de superconducción, como sucedía por ejemplo con los llamados metales nobles, como cobre, plata y oro.

Por sus descubrimientos de superconductividad, Onnes en el año 1913 recibió el Premio Nobel de Física. La verdad es que este efecto de superconductividad sorprendió a sus amigos físicos. Es así como Lord Kelvin había predicho que la resistencia de los metales debería incrementarse al bajar la temperatura al llegar cerca del Cero absoluto. Según él, los electrones debieran congelarse y con ello, éstos debían incorporarse a sus átomos de origen. De esta forma, decía él, quedarían muy pocos electrones libres para que condujeran la electricidad.

Los físicos no podían encontrar una explicación satisfactoria a los hallazgos de Onnes. Incluso Einstein trató de elaborar una teoría para explicar la superconductividad, pero falló. Sólo 40 años más tarde de este descubrimiento se encontró realmente una teoría satisfactoria.


Utilización de la superconducción

Se han sugerido muchos usos para esta propiedad de superconducción. La más obvia es el transporte de energía eléctrica. La electricidad se genera en plantas de distintos tipos, y desde allí debe transmitirse por cables a los usuarios, los que muchas veces están a cientos de kilómetros de distancia. En general puede decirse que las pérdidas de energía eléctrica por calentamiento de las líneas superan el 15%. Cualquier tecnología que pudiera reducir estas pérdidas es de enorme importancia para las empresas generadoras de electricidad.

Sin embargo, los cables superconductores no parecen una solución para ello. Puede por ejemplo, una sección del cable dejar en un momento dado de ser superconductor. Como consecuencia aumentaría la resistencia dramáticamente por sobre su conducción a temperaturas normales. La resistencia creada podría calentar y vaporizar el cable de cobre interrumpiendo así el sistema de transporte.

El segundo problema es que para lograr la superconducción habría que enfriar el cable por debajo de la temperatura crítica. Para ello habría que utilizar helio líquido, lo que requiere de complejas tecnologías. Basta señalar que para mantener el helio líquido a una temperatura de 4.2 grados K, debe almacenarse en frascos a 77 grados K, el que a su vez debe estar contenido en otro frasco vacío. Esto sería impracticable realizarlo con un cable de transmisión eléctrica, siendo además demasiado caro.

A pesar de esto, los superconductores pueden tener otros usos prácticos, especialmente para determinadas circunstancias en que el costo es menos significativo. Entre estos usos están los "magnetos superconductores". Con cables hechos de material superconductor se puede hacer un selenoide. Corrientes altas pueden fluir alrededor de los alambres del selenoide, produciendo fuertes campos magnéticos con una densidad de flujo de hasta 20 teslas, lo que es medio millón de veces la fuerza magnética de la Tierra. Un electromagneto convencional, para producir esa enorme fuerza magnética, produciría un gran sobrecalentamiento que lo destruiría.

Instrumentos superconductores se han usado en los scanners de resonancia magnética, utilizados para tomar imágenes del cuerpo. Con ellos se pueden observar detalles dentro del cuerpo del paciente, ahorrándose la peligrosa radiación de rayos X o de rayos gama, o la observación directa quirúrgica. Los selenoides superconductores también se han usado para levitar trenes rápidos. El tren "Maglev" se mantiene por repulsión de los polos opuestos de un selenoide que va en el tren (que debe mantenerse frío) y un selenoide no superconductor que está en el riel (fig. 3). Al levitar el tren, se ahorra la fricción de las ruedas sobre el riel. Claro que para esto se necesitan circuitos de selenoides complejos de alta velocidad que permiten ajustar el flujo de corriente muy exactamente, para mantener el tren a una altura constante sobre los rieles. Se logra así que el tren se desplace a una velocidad de 500 kilómetros por hora.

Los aceleradores de partículas con que experimentan los físicos, también usan magnetos superconductores. Así por ejemplo, Fermilab cerca de Chicago, usa los magnetos superconductores para mantener los protones orbitando en el túnel circular de más de dos kilómetros de diámetro. Allí las partículas que se aceleran y chocan, deben ser muy energéticas y de desplazamiento muy rápido. Ello se consigue con fuertes campos magnéticos que sólo con superconductores se pueden lograr.

En pequeña escala, la superconducción también se está utilizando en los aparatos electrónicos. Tal es el caso de las "Uniones Josephson", que fueron inventadas por Brian Josephson en 1962, cuando era estudiante de la Universidad de Cambridge. En ella, dos alambres superconductores están unidos por una capa muy fina de material aislante, como es el caso de la alúmina (AI2 O3). La capa aislante tiene sólo un grosor de unos pocos átomos, y a través de ella pueden pasar pequeños flujos de corriente. Pero si la corriente excede un valor crítico, la unión se cambia a un nivel de alta resistencia y se interrumpe. De esta forma una unión Josephson puede actuar como un interruptor electrónico. Lo interesante es que es muy rápido y se demora un picosegundo en cambiar (10^-12 segundos). Estos interruptores pueden ser usados en lugar de transistores, lo que permite construir supercomputadoras que pueden ser 20 veces más rápidas que las computadoras que se conocen hoy en día.

La unión Josephson tiene también otra aplicación electrónica: "El Aparato Superconductor de Interferencia Cuántica (SQUID)". Cuando se forman una o más uniones en un anillo y por él pasa un campo magnético, se induce una corriente. Pequeños cambios en el campo magnético producen cambios mensurables en la corriente, de modo que el SQUID puede usarse como un instrumento extremadamente sensible para medir campos magnéticos. Los SQUID pueden detectar cambios que son menos de una mil millonésima parte de la fuerza del campo magnético de la Tierra, lo que ha dado lugar a muchas aplicaciones prácticas. Por ejemplo, los geólogos usan SQUID en la búsqueda de minerales. Los químicos lo usan para monitorear la corrosión, mientras los biofísicos, miden los campos magnéticos que se generan en el cuerpo humano, con lo que consiguen imágenes de la actividad del cerebro y el corazón.


Atracción de electrones

En los años siguientes pareció que el tema de la superconducción se había agotado, ya que no se producían nuevos progresos. Sin embargo, cincuenta años después del descubrimiento de la superconducción (en el año 1965), el tema se volvió a reactivar. Ello gracias a observaciones de un físico americano, Leon Cooper. El concepto clásico era hasta ese entonces que los electrones se repelían unos a otros, debido a su misma carga eléctrica. Este efecto se conocía como "repulsión Coulomb". Lo novedoso fue que Cooper se dio cuenta que contrariamente existía un mecanismo por el cual pares de electrones podían atraerse unos a otros con una fuerza mayor que su mutua repulsión Coulomb.

En un comienzo, la idea que los electrones se podían atraer unos a otros pareció muy extraña ya que eran de igual carga eléctrica. Tal vez por eso se demoró tanto en que apareciera este nuevo concepto. ¿Pero cómo se produce esto?. La respuesta está en la interacción de los electrones con los iones del enrejado. Los "electrones de conducción" en un metal son atraídos hacia los iones cargados positivamente que constituyen el enrejado cristalino. En la medida que un electrón pasa a través del enrejado produce una alteración debido a la atracción por parte de los iones. Esta alteración afecta a un segundo electrón que pasa a través del enrejado. Cooper demostró que en ciertas condiciones, se producía una atracción entre los dos electrones, que era más fuerte que la repulsión entre ellos. Decía Cooper que los electrones formaban un par, por lo que ellos pasaron a llamarse "par Cooper".

Una forma de ilustrar este curioso hecho, es imaginar dos bolas pesadas rodando en un colchón. Una bola produce una depresión de los resortes del colchón. Antes que desaparezca la depresión, rueda la segunda bola y es deflectada hacia la primera. En otras palabras, parece que existiera una fuerza atractiva entre ellas (fig. 4).

En el caso de los dos electrones que forman un par Cooper, la depresión viene de la interacción entre electrones y fonones (las partículas que habíamos visto asociadas con las vibraciones de la red). En el caso del estado de superconductividad, la alteración causada cuando pasa el electrón a través del enrejado, resulta en la producción de un fonon. Este fonon interactúa con un segundo electrón, que pasa a formar un par Cooper con el primer electrón. Ya que el fonon puede viajar grandes distancias a lo largo de la red, los dos electrones no tienen que estar necesariamente uno cerca del otro. En la práctica ellos están separados por varios cientos de átomos, de modo que la repulsión Coulomb entre ellos, es extremadamente débil.

La teoría completa de cómo esto resulta en superconducción, fue desarrollada por John Barden, Cooper y John Schrieffer. Ella, por la inicial de estos tres investigadores, es conocida como la "Teoría BCS". Por ella obtuvieron el Premio Nobel de Física en 1972. De acuerdo a la teoría BCS, la supercorriente en la superconducción es transportada por muchos millones de pares Cooper. Es como el movimiento de muchas parejas en una pista de baile. Los miembros de cada pareja no necesitan estar juntos, pero tienen que sincronizar sus movimientos en el piso mientras otras parejas pasan entre ellos.

La superconductividad se debilita si se rompe un par Cooper en un choque con un fonon. Pero para que esto suceda, el fonon tiene que tener suficiente energía como para romper la mutua atracción de los electrones. En las temperaturas cercanas al cero absoluto es poco probable que exista un fonon con suficiente energía como para romper el par Cooper. Pero si ésta se eleva sobre la temperatura crítica, más vibra la red y por lo tanto hay más y más fonones disponibles. Eventualmente, sobre la temperatura crítica, los pares Cooper se comienzan a quebrar más rápido que lo que se forman, lo que hace que el material pierda su propiedad de superconducción.


Nuevos materiales superconductores

Desde mediados de la década del 80 han comenzado a aparecer nuevos materiales superconductores. En este caso no se trata de metales o aleaciones, sino que óxidos de material cerámico. Lo interesante de ello es que no se necesita enfriarlos tanto, como los superconductores metálicos. En 1956, los investigadores Alexander Müler y George Bednorz, físicos de la IBM en Zurich, publicaron en una oscura revista de física alemana, que con una mezcla muy especial de lanthanium-barium y óxido de cobre, se lograba la propiedad de superconductividad a una temperatura de 35 grados Kelvin. Después de esto se produjo una enorme excitación y fueron muchos los investigadores que comenzaron a investigar diversas mezclas y se encontraron que algunas lograban la superconducción a temperaturas de 100 grados Kelvin. Con esto se abrían las puertas para su uso práctico, ya que no se necesitaba el helio líquido para enfriar, pudiendo hacerlo con nitrógeno líquido, que hierve a 77 grados Kelvin y tiene un costo veinte veces inferior al del helio líquido. Por este hallazgo, Müller y Bednorz obtuvieron rápidamente el premio Nobel de Física.

Casi todas las cerámicas superconductoras descubiertas hasta ahora, contienen cobre y otros variados constituyentes. Ellas tienen una estructura cristalina compleja, con planos de átomos por donde pueden fluir los electrones. Sin embargo, la superconductividad da valores distintos cuando esta capacidad se mide en diferentes direcciones del cristal. También se ha visto que esta propiedad depende críticamente de las materias primas y de la forma en que ellas se fabrican.

Estas observaciones, junto al hecho que ellas son cerámicas quebrables, limitan su utilidad. Sin embargo, ya se dispone de cables de cerámicas superconductores, recubiertos con una aleación de plata (Creces, Julio 1996, pág. 39). Este material puede transmitir corriente cien veces mayor que un cable de cobre de un grosor equivalente.

Las industrias generadoras de electricidad están muy esperanzadas y creen que en los próximos años va a ser posible utilizar este material. Ellos han calculado que para el año 2010, el mercado para los superconductores superará los 90 mil millones de dólares.

La aparición de estos nuevos materiales superconductores plantea de nuevo el problema teórico. ¿Cuál sería el mecanismo de la superconductividad en estos materiales? ¿Puede la teoría BCS adaptarse para explicarla, o por el contrario habría que buscar una nueva explicación? (fig. 5). Si se llegara a conocer el mecanismo de esta nueva superconducción tal vez se podría lograr la superconductividad a temperatura ambiente. En ese caso se podría disponer de automóviles eléctricos muy eficientes o trenes eléctricos más rápidos y baratos y tal vez el médico podría disponer en su oficina de un aparato de scanner cerebral.

La principal fuente de información de este artículo, se obtuvo de la publicación de David Sang.


(New Scientist, Enero 18, 1997).