Los superconductores y el efecto meissner

"Un superconductor es un material que no opone resistencia al flujo de corriente eléctrica por él"

La superconductividad es una propiedad presente en muchos metales y algunas cerámicas, que aparece a bajas temperaturas, caracterizada por la pérdida de resistividad a partir de cierta temperatura característica de cada material, denominada temperatura crítica.

Los superconductores también presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnéticos.

Cuando un material pasa del estado normal al estado superconductor, el cambio en la resistividad puede ser muy abrupto y, se produce lo que en física se denomina "cambio de fase". Si miramos el material a una temperatura mayor que la crítica, encontraremos propiedades marcadamente distintas a las que veremos a temperaturas menores que la crítica.

Existen varios tipos de cambios de fase como por ejemplo el cambio de fase que se produce cuando enfriamos un recipiente con agua: si llegamos a enfriarlo lo suficiente (por debajo de 0ºC), veremos que el agua simplemente se congela. Las propiedades del agua a 25ºC y a -10ºC son claramente diferentes. Algo parecido ocurre en el cambio de fase superconductor, solo que las propiedades que cambian en la transición son propiedades eléctricas y magnéticas, y no propiedades estructurales como en el ejemplo del agua. Es más, para el caso de los metales que al enfriarlos se vuelven superconductores, se sabe que en la transición no hay cambio en la estructura cristalina ni en las propiedades elásticas del material.

Las propiedades que cambian en la transición del estado normal al estado superconductor son principalmente las propiedades magnéticas. 

"En el estado superconductor puro, prácticamente no hay penetración de flujo magnético en el material, y los efectos termoeléctricos desaparecen".

"Un superconductor no presenta resistencia al paso de corriente. Por lo tanto, un superconductor puede conducir corriente indefinidamente sin pérdida de energía aunque esté desenchufado".

Hicieron falta más de 40 años para comprender la superconductividad, hasta que en 1957 Bardeen, Cooper y Schrieffer resolvieron el problema con la teoría de BCS. En esta teoría los electrones se aparean -pares de Cooper- antes de formar un estado colectivo cuántico o condensado. Uno de los grandes logros de la teoría BCS era explicar cómo era posible que los electrones formaran pares -el mecanismo o el pegamento- ya que en estado libre los electrones se repelen. El pegamento resultó provenir de las vibraciones de los iones.

En el condensado los electrones adquieren la misma fase y actúan como una onda macroscópica. Una analogía para visualizar este estado sería imaginarse parejas (pares de Cooper) bailando al unísono.

La temperatura juega un papel crucial en la comprensión de la superconductividad. En física estadística la temperatura es igual a la energía cinética media de las partículas, es decir mide la capacidad de movimiento de las partículas. Al bajar la temperatura las partículas y en particular los iones de un material se mueven cada vez más lentamente y se producen los cambios de fase de gas a líquido y de líquido a sólido.

El primer superconductor que descubrió Karmelingh Onnes estaba a una temperatura de -269ºC, cerca del cero absoluto, y fue posible gracias a que previamente consiguió la licuefacción del helio en 1908. Actualmente el récord en temperatura crítica está en la familia de los cupratos con -135ºC para lo que es suficiente enfriar con nitrógeno líquido cuyo punto de licuefacción es de -196ºC.

El efecto meissner fue descubierto por Walther Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933 (a veces se llama, más justamente, Efecto Meissner-Ochsenfeld), y consiste en lo siguiente:

"Cuando un superconductor se enfría por debajo de determinada temperatura, si se le aplica un campo magnético externo no demasiado fuerte, en el interior del superconductor el campo magnético se anula"

Básicamente, los electrones modifican sus órbitas para compensar el campo magnético externo de modo que en el interior, más allá de una determinada profundidad bajo la superficie, el campo sea nulo. Tiene que ver con el hecho de que, suficientemente frío, un superconductor no tiene resistencia eléctrica – esto requiere necesariamente que el campo magnético en el interior sea cero.

Este efecto puede utilizarse para producir un tipo de “levitación magnética”.Cuando se acerca un imán a un superconductor, el superconductor se convierte en un imán de polaridad contraria de modo que “sujeta” al otro imán sobre él.

Pero, al contrario que un imán normal (que haría que el otro imán se diera la vuelta y se quedase pegado a él), un superconductor cambia el campo magnético cuando el exterior lo hace, compensándolo, de modo que es capaz de mantener el otro imán fijo en el aire.
De hecho, si se aleja el imán del superconductor una vez está cerca, éste cambia de polaridad y lo atrae lo suficiente para mantenerse a la misma distancia.

Los superconductores pueden tener muchas aplicaciones. Actualmente se les utiliza para crear campos magnéticos muy intensos, utilizados en escáneres para uso médico, así como frenos y aceleradores magnéticos y en reactores nucleares. 

De ser posible su manejo a temperaturas más altas podrían utilizarse para implementar grandes avances en ordenadores (respecto a su velocidad y capacidad de computación), también en la creación de motores mucho más potentes y eficientes, y en dispositivos y medios de transporte, capaces de levitar en el aire.

** El efecto josephson es un efecto físico que se manifiesta por la aparición de una corriente eléctrica por efecto túnel entre dos superconductores separados.

Según la Teoría BCS, la corriente eléctrica en los superconductores no la transportan electrones simples como sería el caso normal, sino pares de electrones, los llamados pares de Cooper.Cuando los dos superconductores están separados por una capa de un medio aislante o un metal no superconductor de unos pocos nanometros, los pares de Cooper pueden atravesar la barrera por efecto túnel, un efecto característico de la mecánica cuántica. Aunque los pares de Cooper no pueden existir en un aislante o un metal no superconductor, cuando la capa que separa los dos superconductores es lo suficientemente estrecha, estos la pueden atravesar y guardar su coherencia de fase. Es la persistencia de esta coherencia de fase lo que da lugar al efecto Josephson.