La superconductividad, más que una promesa tecnológica

El tomógrafo computarizado que permite ver el cerebro, el tren que a gran velocidad levita en Japón, el acelerador de partículas que permite estudiar cómo se originó el Universo y baterías con enorme capacidad de almacenamiento energético.

Éstas son algunas aplicaciones tecnológicas derivadas de la superconductividad que el físico neerlandés Heike Kamerlingh Onnes descubrió hace 110 años al obtener helio líquido por primera vez.

El 8 de abril de 1911 Onnes descubrió casualmente que el mercurio al ser enfriado a muy bajas temperaturas se tornaba en un material que el nombró: “supraconductor”, esto es la ausencia de resistencia eléctrica.

Desde ese tiempo hasta nuestros días se han descubierto una enorme cantidad de materiales que presentan esta propiedad, muchos de ellos por mera casualidad, dice el doctor Roberto Escudero, Investigador Emérito de la UNAM.

¿Qué es la superconductividad?

Es un estado de la materia que ocurre a muy bajas temperaturas en muchos y diversos materiales: metales, semiconductores, orgánicos, aleaciones, cerámicas e incluso en aislantes.
Estos materiales, agrega el doctor Escudero, experimentan cambios en sus propiedades magnéticas y eléctricas por debajo de cierta temperatura conocida como la temperatura crítica.

Un superconductor por debajo de la temperatura crítica tiene dos características: es un diamagneto perfecto y su resistencia es cero.

El transporte electrónico ocurre sin pérdida de energía, cuando en un conductor perfecto o ideal la resistencia eléctrica se llega al cero absoluto. Cero Kelvin.

En el universo, agrega el doctor Escudero, todo es diamagnético: tú, yo, un pez, una manzana. Ese diamagnetismo es la propiedad cuántica de la materia y es extremadamente pequeño. Solo en materiales superconductores el diamagnetismo es máximo, o perfecto.

En un conductor perfecto el transporte de electrones sin pérdida de energía ocurre cuando se llega al cero absoluto.

En la tabla periódica sólo algunos de los elementos son superconductores y presentan temperaturas menores a 10 Kelvin.

En 1987 J. Bednorz y K. A. Muller realizaron un gran descubrimiento: las cerámicas superconductoras con cobre, y la superconductividad adquirió una enorme relevancia.

Desde la época de Onnes se siguen descubriendo muchos materiales superconductores, algunos con temperaturas críticas extraordinariamente altas. Un artículo publicado en noviembre de 2020 en la revista Nature informa de un nuevo material que se torna superconductor a temperatura ambiente. ¡Qué maravilla!, exclama Escudero.

El problema con estos nuevos materiales (excepto algunos de los recién descubiertos) es que se tienen que someter a muy altas presiones (se producen usando celdas de diamante) para que sean superconductores.

Cambio de supraconductividad a superconductividad

Al contar con helio líquido Onnes se abocó a estudiar la resistencia eléctrica de algunos elementos; mercurio fue el primero. Se observó que dicha resistencia desaparecía bruscamente al enfriarse por debajo de 4.1 Kelvin (K), y lo que se esperaba era que ésta disminuyera gradualmente hasta alcanzar el cero absoluto.

Kamerlingh Onnes observó que en otros elementos de la tabla periódica: la resistencia eléctrica decrecía y desaparecía en forma abrupta, algunos ejemplos fueron el plomo, indio, estaño, etcétera, pero ese cambio ocurría a diferentes y muy bajas temperaturas. A este fenómeno Onnes lo llamó supraconductividad.

También observó que otros elementos como el oro, la plata y el cobre, que son muy buenos conductores eléctricos, nunca llegaban al nuevo estado llamado supraconductor. La explicación posterior de este comportamiento se conoció, mucho después, con la teoría microscópica de la superconductividad.

Fue hasta el año de 1933, con W. Meissner y R. Ochsenfeld, científicos alemanes, que se descubrió que los supraconductores se tornaban diamagnetos perfectos por debajo de la temperatura crítica: esto es expulsan totalmente el campo magnético. A tal comportamiento se nombró: Efecto Meissner.

Por tanto desde ese momento el nombre acuñado por Onnes, cambió a superconductividad. Y las dos nuevas características físicas para definir al estado superconductor son: diamagnetismo perfecto y resistencia eléctrica cero.

La teoría BCS, una bella teoría

En la década de los cincuenta del siglo XX, ya existían teorías fenomenológicas que explicaban el comportamiento superconductor, pero no existía una explicación microscópica del por qué. Fue hasta julio de 1957 cuando los científicos norteamericanos J. Bardeen, L. N. Cooper y J. R. Schrieffer crearon el modelo teórico que explica el proceso electrónico.

La teoría BCS, iniciales de los apellidos de sus creadores, es —considera el doctor Escudero— una de las teorías más bellas y bien formuladas en la Física.

Esta teoría postula que un material se vuelve superconductor cuando los electrones se aparean.

Este proceso de apareamiento se origina debido a las vibraciones cuantizadas de la red cristalina del material que producen un acoplamiento electrónico formando pares de electrones. Esta nueva estructura electrónica se conoce como el condensado, el cual es un estado cuántico colectivo.

En 1973, Bardeen, Cooper y Schrieffer recibieron el Premio Nobel de Física por su teoría.

Las aplicaciones

—¿Cuál es el uso tecnológico de la superconductividad? ¿Qué aplicaciones tiene en la vida cotidiana?

Son múltiples, dice Escudero y da ejemplos:

En líneas de transmisión de corriente eléctrica con cables superconductores la eficiencia es superior a los que usan cobre, en magnetos y motores superconductores más eficientes que los normales, en baterías de cerámicas superconductoras pueden obtenerse mayor capacidad de almacenamiento.

En el acelerador de partículas como el CERN que funciona en Suiza. “Los protones al circular en el anillo viajan a velocidades cercana a la de la luz. Al chocar con protones desplazándose en direcciones opuestas producen nuevas partículas elementales que nos dan información de que es el Universo”.

Los dispositivos formados “con junturas de túnel” llamados SQUID que son extraordinariamente sensibles para detección de campos magnéticos muy pequeños, como los que se producen en cerebros de los seres vivos, ayudan a entender el funcionamiento de estos órganos.

Los nuevos equipos de resonancia magnética nuclear ayudan a visualizar con gran detalle lo que no se puede observar con rayos X.

Otros aparatos con uso de SQUIDs han servido para separar o seleccionar materiales magnéticos en impurezas de aguas residuales.

Sin embargo, puntualiza el doctor Roberto Escudero, muy probablemente la otra aplicación más espectacular es en la construcción de trenes de levitación magnética conocidos como Maglev (del inglés magnetic levitation), que se pueden construir también con bobinas superconductoras. “Uno ya existe en Japón”.

—¿Y cómo se encuentra México en estudios de superconductividad?

Puedo decirlo de forma muy simple: México es un país subdesarrollado, con poca gente especializada en ciencias, no existe educación y preparación suficiente. Este gobierno y otros anteriores no han estimulado la ciencia. La situación empeora porque actualmente se ha reducido el apoyo.

Para Escudero, quien tiene casi 50 años estudiando superconductividad, el problema se debe solucionar. México necesita formar más y mejores científicos, “capacitados para hacer ciencia y ciencia aplicada, patentar, inventar. Esto requiere de mucho tiempo y hasta ahora no veo cuando se logren esos estímulos”.