Superconductividad: ¿qué es y cómo funciona?

Para la física, un material superconductor es cualquiera que cumpla las dos siguientes características:

1.- Conductor ideal: Que no ofrezca resistencia a la circulación de corrientes eléctricas. Los conductores normales tienen pérdidas cuando tienen corrientes en su interior. Las redes eléctricas que recorren grandes distancias, como las que unen las centrales eléctricas con las ciudades, tienen pérdidas importantes.
2.- Diamagnetismo perfecto: Dentro de un material diamagnético el campo magnético tiene una intensidad algo más pequeña que en el exterior. En un superconductor el efecto del diamagnetismo es tan fuerte que apantalla el campo magnético; es decir, dentro de un superconductor nunca penetra el campo magnético.
¿Porqué se produce la superconductividad?

La teoría clásica que explica los superconductores es la llamada BCS (teoría Bardeen, Cooper y Schrieffer, de 1957). Los electrones, por el principio de exclusión de Pauli, al tener espin 1/2 no pueden estar en el mismo estado energético, pero en los superconductores se produce el siguiente fenómeno: dos electrones se aparejan a través de una vibración de la red, formando los llamados pares de Cooper. Estos pares de Cooper tienen spin entero, es decir, no sufren el principio de exclusión y pueden estar todos en el mismo estado energético. A bajas temperaturas la mayoría de pares se alinean en el estado de mínima energía. Por ello, si se dan las condiciones de acoplamiento y si existe una distancia energética entre los estados de más baja energía y los de más alta (el llamado “gap” energético) se produce el comportamiento superconductor.

Al introducir un campo eléctrico, los pares de Cooper se trasladan sin resistencia y sin oponerla por todo el medio superconductor: la corriente se mueve sin ninguna oposición como en un conductor perfecto. Al tener campos externos, el superconductor se comportará de manera que evitará que haya ninguna corriente inducida en su interior, por lo que el campo es nulo en su interior.

¿Cuál es el límite del comportamiento superconductor?

Este es el aspecto más importante de la investigación actual sobre superconductividad. La superconductividad no es eterna. De hecho, los pares de Cooper pueden romperse con facilidad por la vibración térmica, ya que dependen de las vibraciones de la red para formarse, y el gap puede ser cruzado también al aumentar la temperatura. Por ello, hay una temperatura límite, llamada Temperatura crítica (Tc), a partir de la cuál, el material deja de ser superconductor.

El material superconductor también puede dejar de serlo si se supera un cierto valor del campo magnético externo. Para todo el rango de temperaturas existe un campo magnético externo límite en el cuál la superconductividad se pierde. Aquí el comportamiento difiere en 2 tipos:

Superconductor tipo 1: Una vez superado el campo crítico se comportan como un material ferromagnético normal y corriente... y como conductor normal.

Superconductor tipo 2: Una vez superado el campo magnético crítico, pierden el diamagnetismo perfecto pero no completamente. A medida que aumentamos el campo externo el apantallamiento en el interior del superconductor va disminuyendo progresivamente hasta alcanzar un segundo campo magnético crítico a partir del cuál se comporta como un diamagnético normal y corriente.

Tipos de superconductor

Este es el aspecto más apasionante de la investigación de última línea sobre superconductividad. El objetivo es conseguir superconductores de Tc alta. Según la teoría BCS el límite “natural” para la Tc está sobre los 40 grados Kelvin (K).

Hay 3 familias de materiales superconductores:

- Metales como el Mercurio (Hg), Plomo (Pb), Niobio (Nb) o aleaciones metálicas como el NbN, Nb3Sn o el Nb3Ge, todos por debajo de los 30 K de Tc.

- Óxidos y en especial los óxidos de Cobre tipo capas “CuO2”, donde encontraríamos el máximo en el HgBa2Ca2Cu3O8 (Tc = 134 K, a presión de 1 atm. y Tc = 165 K en altas presiones).

- Materiales y cristales orgánicos con dopaje de portadores eléctricos (cristales de 60 moléculas de Carbono) donde se alcanzan hasta los 53 K de Tc.

Si el modelo de pares de Cooper BCS tiene un máximo en los 40K, ¿cómo explicar la superconductividad de alta temperatura ligadas a las capas CuO2? Todavía no se sabe, pero comienzan a aparecer algunas explicaciones. Por ejemplo, las capas de CuO2 permiten tener un “reservoir” de carga en su interior que son una especie de “reserva de carga” infinita ante campos de intensidad normal. En este caso la superconductividad no nacería del par Cooper, sino de la interacción capa a capa. De hecho, la superconductividad en este modelo sólo se daría en las capas de CuO2 y no en el conjunto de todo el cristal. Sin embargo, este es un tema que aún está por resolver y produce mucha literatura de investigación en los Physical Review.

Respecto a la superconductividad, también se están investigando ahora los vórtices magnéticos en los superconductores tipo II, nanotubos de superconductores y otras cuestiones avanzadas que van mucho más allá de la intención de este artículo de divulgación.