Por
Un cubo de material magnético levita sobre un superconductor. El campo del imán induce corrientes en el superconductor que generan un campo igual y opuesto, equilibrando exactamente la fuerza gravitacional en el cubo. Crédito: Imagen cortesía del Laboratorio Nacional Oak Ridge
A lo que la mayoría de la gente considera temperaturas «normales», todos los materiales tienen cierta cantidad de resistencia eléctrica. Esto significa que resisten el flujo de electricidad de la misma manera que una tubería estrecha resiste el flujo de agua. Debido a la resistencia, algo de energía se pierde en forma de calor cuando los electrones se mueven a través de los componentes electrónicos de nuestros dispositivos, como computadoras o teléfonos celulares. Para la mayoría de los materiales, esta resistencia permanece incluso si el material se enfría a temperaturas muy bajas. Las excepciones son los materiales superconductores. La superconductividad es la propiedad de ciertos materiales para conducir electricidad de corriente continua (CC) sin pérdida de energía cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica (denominada Tvs). Estos materiales también expulsan campos magnéticos a medida que pasan al estado superconductor.
La superconductividad es uno de los fenómenos cuánticos más intrigantes de la naturaleza. Fue descubierto hace más de 100 años en mercurio enfriado a la temperatura del helio líquido (alrededor de -452 ° F, solo unos pocos grados por encima de cero absoluto). Al principio, los científicos pudieron explicar lo que ocurría en la superconductividad, pero el por qué y el cómo de la superconductividad fueron un misterio durante casi 50 años.
En 1957, tres físicos de la Universidad de Illinois utilizaron la mecánica cuántica para explicar el mecanismo microscópico de la superconductividad. Propusieron una teoría radicalmente nueva de cómo los electrones cargados negativamente, que normalmente se repelen entre sí, se forman en pares debajo de Tvs. Estos electrones emparejados se mantienen unidos por vibraciones de nivel atómico conocidas como fonones, y colectivamente los pares pueden moverse a través del material sin resistencia. Por su descubrimiento, estos científicos recibieron el Premio Nobel de Física en 1972.
Tras el descubrimiento de la superconductividad en el mercurio, el fenómeno también se observó en otros materiales a temperaturas muy bajas. Los materiales incluían varios metales y un aleación de niobio y titanio que podrían fácilmente convertirse en alambre. Los cables dieron lugar a un nuevo desafío para la investigación de superconductores. La falta de resistencia eléctrica en los cables superconductores significa que pueden soportar corrientes eléctricas muy altas, pero por encima de una “corriente crítica”, los pares de electrones se rompen y se destruye la superconductividad. Tecnológicamente, los cables abrieron usos completamente nuevos para los superconductores, incluidas las bobinas enrolladas para crear potentes imanes. En la década de 1970, los científicos utilizaron imanes superconductores para generar los campos magnéticos elevados necesarios para el desarrollo de máquinas de imágenes por resonancia magnética (MRI). Más recientemente, los científicos introdujeron imanes superconductores para guiar los haces de electrones en sincrotrones y aceleradores en instalaciones de usuarios científicos.
En 1986, los científicos descubrieron una nueva clase de materiales de óxido de cobre que exhibían superconductividad, pero a temperaturas mucho más altas que los metales y aleaciones de metales de principios de siglo. Estos materiales se conocen como superconductores de alta temperatura. Si bien aún deben enfriarse, son superconductores a temperaturas mucho más cálidas, algunas de ellas a temperaturas superiores al nitrógeno líquido (-321 ° F). Este descubrimiento encierra la promesa de nuevas tecnologías revolucionarias. También sugirió que los científicos podrían encontrar materiales superconductores a temperatura ambiente o cerca de ella.
Desde entonces, se han descubierto muchos nuevos materiales superconductores de alta temperatura utilizando conjeturas fundamentadas combinadas con experimentos de prueba y error, incluida una clase de materiales a base de hierro. Sin embargo, también quedó claro que la teoría microscópica que describe la superconductividad en metales y aleaciones metálicas no se aplica a la mayoría de estos nuevos materiales, por lo que una vez más el misterio de la superconductividad está desafiando a la comunidad científica. Experimentos recientes con materiales a base de hidrógeno a presión extremadamente alta confirmaron una predicción teórica de superconductividad a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente.
Hechos de superconductividad
- La superconductividad fue descubierta en 1911 por Heike Kamerlingh-Onnes. Por este descubrimiento, la licuefacción de helio y otros logros, ganó el Premio Nobel de Física de 1913.
- Se han otorgado cinco premios Nobel de Física a la investigación en superconductividad (1913, 1972, 1973, 1987 y 2003).
- Aproximadamente la mitad de los elementos de la tabla periódica muestran superconductividad a baja temperatura, pero las aplicaciones de superconductividad a menudo emplean aleaciones más fáciles de usar o menos costosas. Por ejemplo, las máquinas de resonancia magnética utilizan una aleación de niobio y titanio.