Superconductividad

Seguramente habrás notado que la fuente de alimentación de tu ordenador o la batería de su portátil se calientan a medida que los utilizas. Cuando tocas la fuente de alimentación, el calor que sientes es energía térmica transformada de energía eléctrica. No queremos esta energía térmica, ya que en lugar de utilizarse para la energía eléctrica, se está perdiendo en forma de calor.

Dado que el mundo en el que vivimos depende, sobre todo, de la eficiencia, ¿no sería bueno que no tuviéramos energía perdida? Pero, claro, esto requeriría una resistencia cero en los circuitos eléctricos que utilizamos, donde se disipa la energía... ¿Es acaso esto posible? La superconductividad es un escenario en el que esto se consigue de forma casi perfecta.

Materiales superconductores

Todos los conductores ofrecen cierta resistencia al paso de la corriente, incluso los mejores para ello en su estado natural (como ocurre con el cobre o el oro). Cuando la corriente pasa por cualquier conductor, este se calienta. Esto se debe a que la energía que se disipa en las resistencias provoca un aumento de la temperatura y, por lo tanto, un incremento de la resistencia que ofrece el conductor en cuestión. Por eso, si la temperatura de un conductor normal disminuye, la resistencia que ofrece también debe disminuir.

En el caso de los superconductores hay una ligera diferencia, ya que tienen una temperatura característica llamada temperatura crítica (T_c). Cuando la temperatura de un superconductor desciende por debajo de la temperatura crítica, su resistencia desciende repentinamente hasta prácticamente cero.

Ejemplos de superconductores

La resistencia del mercurio

Uno de los ejemplos más comunes de superconductor es el mercurio, a la temperatura crítica de 4,2 Kelvin (-269,2°C). Lo descubrió la física holandesa Heike Kamerlingh Onnes en 1911.

Onnes examinaba la resistencia de diferentes metales, en relación con la temperatura, utilizando helio líquido para enfriar los materiales. Cuando estaba enfriando la muestra de mercurio, se dio cuenta de que, al bajar la temperatura por debajo de 4,2 Kelvin, la resistencia caía repentinamente a cero.

Condiciones para la superconductividad

Entonces, si los superconductores ofrecen una resistencia casi nula y tienen un rendimiento muy alto, ¿por qué no se utilizan en todo para conducir la electricidad? La razón es que las condiciones para la superconductividad no son tan fáciles de conseguir, y los conductores comunes (como el cobre, el oro o la plata) no presentan superconductividad.

Para que los materiales alcancen la superconductividad deben cumplirse tres condiciones. Estas son:

• Temperatura crítica (T_c): La temperatura del conductor debe estar por debajo de una determinada temperatura llamada temperatura crítica (T_c), que suele ser muy baja.
• Densidad de corriente crítica (J_c): La corriente que fluye a través de una sección transversal específica del conductor debe estar por debajo de un determinado valor llamado densidad de corriente crítica (J_c).
• Intensidad crítica del campo magnético (H_c): La intensidad del campo magnético al que está expuesto el conductor debe ser inferior a un determinado valor, denominado intensidad crítica del campo magnético (H_c).

Los valores son características individuales para diferentes superconductores.

Temperatura crítica

Centrémonos, ahora, en la condición más importante para que se pueda llegar a dar superconductividad: la temperatura crítica.

Fig. 2: Tres condiciones que afectan a la superconductividad.

Los científicos llevan bastante tiempo observando diferentes materiales, con el propósito encontrar un superconductor con un alto valor de temperatura crítica. En 1911, se observó que la temperatura crítica del mercurio era de 4,2K (-269,2°C). Desde entonces, el superconductor con la temperatura crítica más alta es el óxido de mercurio, talio y cobre, que alcanza una temperatura crítica de 139 Kelvin (-134,15°C).

Esta temperatura es mucho más alta que la del mercurio, pero sigue siendo muy fría en comparación con la temperatura ambiente. Esta es la principal razón por la que los superconductores no se utilizan en todos los dispositivos o proyectos: no resultan tan rentables, teniendo en cuenta los requisitos de refrigeración.

En la siguiente tabla podemos ver las temperaturas críticas y los campos magnéticos críticos de diferentes materiales:

Superconductores de alta temperatura

Existen materiales que se escapan un poco de la teoría que hemos descrito en este artículo. Estos son los que conocemos como superconductores de alta temperatura y engloban todos aquellos materiales cuya temperatura crítica está por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido$(77\mathrm{K})$.

Estos materiales resultan muy interesante precisamente por la característica que los define. El nitrógeno líquido es mucho más barato que otros materiales que se pueden emplear para enfriar, como por ejemplo el helio líquido. Por tanto, el hecho de poder usar nitrógeno líquido para enfriar este tipo de materiales y, de esta manera, conseguir que se comporte como un material superconductor, resulta muy útil y conveniente.

Aplicaciones de los superconductores

Los superconductores son muy importantes para los dispositivos que necesitan una baja resistencia y un alto campo magnético. Entre las aplicaciones de los superconductores se encuentran los escáneres de resonancia magnética, los generadores, los trenes de alta velocidad y los aceleradores de partículas.

Otra aplicación de los superconductores es el dispositivo de interferencia cuántica superconductor, conocido como SQUID. El SQUID es un dispositivo que se clasifica como magnetómetro de alta sensibilidad y se utiliza para medir campos magnéticos minúsculos. El proceso de funcionamiento del SQUID depende de bucles superconductores que contienen dos uniones Josephson, como se muestra en la imagen siguiente:

Fig. 4: Un diagrama de SQUID.

Cuando un campo magnético minúsculo está presente alrededor del SQUID, habrá un efecto de interferencia dependiente de la fuerza de ese campo magnético.