Superconductividad /2002

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Superconductividad
Redacción SicaNews [ newsletter@sicaelec.com ]

Superconductividad

Resumen: 

En este artículo se presentan las características de la alta conductividad eléctrica y los últimos avances en la superconductividad de "alta" temperatura. 

Desarrollo:

Introducción general 

La superconductividad es un fenómeno que básicamente comprende el estado en el cual la resistencia eléctrica de ciertos materiales disminuye de forma repentina hasta llegar a cero. 

Dado que aún no está totalmente comprendida y todavía se continua investigando, la explicación a fondo de lo que actualmente se conoce sobre la superconductividad está mas allá del alcance de este artículo, brindándose sólo los conceptos mas generales. 

La temperatura por debajo de la cual la resistencia eléctrica de un material se aproxima a cero absoluto se denomina temperatura de transición ó crítica (Tc). Por encima de esta temperatura, al material se lo conoce como normal, y por debajo de Tc, se dice que es superconductor. 

La pérdida de resistencia eléctrica es sólo uno de los varios cambios que tienen lugar cuando se enfría un superconductor por debajo de su temperatura crítica. Se presentan también efectos magnéticos notables: la permeabilidad del material disminuye hasta cero y el flujo magnético en el material desaparece; la conductividad térmica aumenta rápidamente.
El calor específico electrónico del material en el estado superconductor, se altera sustancialmente debajo de la temperatura crítica. A medida que la temperatura se reduce empezando desde T > Tc, el calor específico salta primero hasta un valor muy alto a Tc y luego cae muy por debajo del valor para el estado normal a temperaturas muy bajas.

Es particularmente importante el “efecto túnel” electrónico, según el cual los electrones pueden atravesar barreras que la física clásica consideraba como infranqueables. El profesor Brian Josephson de la Universidad de Cambridge, que ganó el Premio Nobel por su trabajo, predijo y demostró que cuando dos superconductores están separados por una capa aislante muy delgada los electrones pueden atravesar el aislamiento aún cuando no haya ninguna fuerza electromotriz que los impulse. Si se aplica una tensión de excitación, se producen oscilaciones a una frecuencia que depende únicamente de la tensión y de dos constantes físicas bien conocidas, la constante de Plank y la carga de un electrón. Una consecuencia de esto es que si se mide la frecuencia puede calcularse la tensión aplicada. Esto significa que una unión Josephson, como se la conoce ahora, podría brindar una medida absoluta del Volt.

Además de la temperatura (T), el estado superconductor también depende de otras variables, como son el campo magnético (B) y la densidad de corriente (J). En cuanto a esta última, hay que recordar que la corriente genera su propio campo.

De este modo, para que un material sea superconductor, la temperatura del material, su campo magnético y su densidad de corriente no deben superar unos valores específicos para cada caso, ya que para cada material superconductor existe una superficie crítica en el espacio de T, B, y J. 

Por otro lado, si se construye una gráfica donde se represente la resistividad en función de la temperatura, para un material normal, como el cobre, frente a un material superconductor, como el mercurio, se podrá observar como la resistividad del material superconductor cae bruscamente hasta un valor casi inapreciable, mientras que la resistividad eléctrica del cobre decrece uniformemente mientras disminuye la temperatura, y alcanza un valor mínimo a cero Kelvin (0 K). 

Como se indicó anteriormente la superconductividad depende del campo magnético, dado que si se aplica un campo magnético suficientemente intenso a un superconductor a cualquier temperatura que esté por debajo de su temperatura crítica (Tc), el superconductor retorna a su estado normal. 

El campo magnético aplicado necesario para restablecer la conductividad eléctrica normal en el superconductor se denomina campo crítico (Hc). A densidad de corriente constante, la curva de Hc frente a la temperatura, T (K), puede aproximarse mediante la expresión empírica: 

Hc = Ho [1-(T/Tc)^2] 

Donde Ho es el campo crítico a una temperatura T=0 K, obtenido por interpolación. Esta curva representa el limite o la frontera entre los estados normal y de superconductividad de un material superconductor. 

Los superconductores metálicos e intermetálicos se clasifican, según su comportamiento frente al campo magnético aplicado, como superconductores de tipo I y de tipo II. 

Los superconductores de tipo I, también conocidos como superconductores blandos, presentan un valor de Tc y de Hc demasiado bajos para cualquier aplicación práctica. Estos son conductores perfectos de la electricidad por debajo de Tc, pero pierden su propiedad a un valor crítico del campo magnético por debajo de 1500 Oe (119366 Av/m). Algunos elementos metálicos como el plomo, estaño, mercurio y el aluminio pertenecen a este grupo. 

Si un cilindro largo de un superconductor de tipo I como Pb o Sn se coloca en un campo magnético a temperatura ambiente, el campo magnético penetra normalmente a través del metal. Sin embargo, si la temperatura del conductor del tipo I se reduce por debajo de su Tc (7,19 K para el Pb) y si el campo magnético esta por debajo de Hc, el campo magnético es expulsado de la muestra con excepción de una capa de penetracion superficial muy fina de unos 10^-4 mm de espesor. 
Esta propiedad de expulsión de un campo magnético en el estado de superconducción recibe el nombre de Efecto Meissner. 
Así los campos magnéticos resultan rechazados del interior del superconductor debido a la formación de
corrientes de superficie. La magnetización de un superconductor se opone al campo magnético externo, y la susceptibilidad magnética tiene un valor negativo máximo. Esto significa que un superconductor exhibe un diamagnetismo perfecto, lo cual es una propiedad esencial del estado superconductor.

Los superconductores de tipo II se comportan de forma diferente ante un campo magnético a temperaturas por debajo de la temperatura crítica. 
Los mismos son diamagnéticos, como lo superconductores de tipo I, hasta un valor de un campo magnético aplicado llamado campo crítico inferior Hc1, y de este modo el flujo magnético es rechazado del material. Por encima de Hc1 el campo empieza a penetrar en el superconductor de tipo II y continua así hasta que alcanza el campo crítico superior Hc2. En el intervalo entre Hc1 y Hc2 el superconductor está en estado mixto y por encima de Hc2 vuelve a su estado normal. 

En la región comprendida entre Hc1 y Hc2 el superconductor puede conducir corriente eléctrica dentro del núcleo del material y de esta forma, dicha banda de valores del campo magnético puede ser usada para superconductores de alto campo y alta corriente, como por ejemplo el NiTi y Ni3Sb que son superconductores del tipo II. 

Los superconductores del tipo I son poco útiles para transportar la corriente eléctrica, ya que la corriente sólo puede fluir por la capa superficial externa de una muestra conductora. La razón por la cual sucede esto es que el campo magnético solo puede penetrar la capa superficial, y la corriente sólo puede fluir por esta capa. 

En los superconductores de tipo II, por debajo de Hc1, los campos magnéticos se comportan de igual manera. 
Sin embargo, si el campo se encuentra entre Hc1 y Hc2 (estado mixto), la corriente puede ser transportada por el interior del conductor en filamentos. 
En los superconductores de tipo II, cuando se aplica un campo magnético entre Hc1 y Hc2, el campo atraviesa el volumen del superconductor en forma de haces de flujos cuantizados e individuales, llamados fluxoides. Una supercorriente cilíndrica en torbellino rodea cada fluxoide. Con el aumento de la fuerza del campo magnético, mas y mas fluxoides entran en el superconductor y constituyen una formación periódica. Para Hc2 la estructura a base de vórtices de supercorriente colapsa y el material vuelve a su estado de la conducción normal. 

Desde otro punto de vista, los materiales superconductores se pueden clasificar en tres grupos principales: elementos metálicos, aleaciones y compuestos. 

Los elementos metálicos pertenecen al tipo I, y no ofrecen grandes posibilidades de aplicaciones prácticas. 
Sin embargo, las aleaciones en especial aquellas que contiene elementos de transición como el Nb-Zr, Nb-Ti y Mo-Re, tienen una Tc de alrededor de 10 K, y un campo magnético crítico relativamente elevado. Estas aleaciones se han utilizado en la construcción de bobinas superconductoras para imanes. 
Los mas prometedores son algunos compuestos intermetalicos (anteriormente anunciados) con un campo magnético muy elevado (210000 Oe ó 16711269 Av/m).

¿Qué es lo que hace que un superconductor pierda su resistencia? Al principio parecía probable que a temperaturas muy bajas, la estructura atómica del material se dispusiera en una forma perfectamente ordenada. Entonces los electrones - así se postulaba- podían moverse por el espacio vacío entre los núcleos atómicos sin chocar con nada ni perder energía. Pero la explicación en realidad es mucho más compleja.

Un aspecto interesante es que los electrones que intervienen en la superconductividad se presentan en la forma conocida como pares de Cooper, con movimiento de rotación o "spin" en sentidos opuestos. También entran en juego sutiles efectos cuánticos.

Una de las razones de la superconductividad sería el movimiento concertado y ordenado de estos pares de electrones. En un conductor normal los electrones encuentran dificultades para viajar debido a la agitación térmica y a la distorsión de la red metálica, pero a muy bajas temperaturas, la agitación térmica desaparece y los electrones pueden adaptarse a las distorsiones de la red si viajan a través de ella de a pares. Con el descubrimiento de materiales superconductores a “altas” temperaturas aparece un factor adicional para la existencia de superconductividad en estos nuevos materiales: su estructura es la que permite que los electrones puedan seguir viajando de a pares sin encontrar obstáculo.


Evolución histórica 

La historia de la superconductividad comenzó en 1911 en Leyden, cuando el físico holandés Heike Kammerling Onnes desarrolló las primeras técnicas criogénicas para enfriar muestras de materiales hasta algunos grados por encima del cero absoluto (correspondiente a cero Kelvin, es decir, -273,15 ºC). 

Fue el primero que consiguió llevar el helio por debajo de su punto de licuefacción (4,2 K), abriendo así el campo de las muy bajas temperaturas. Al principio, Kamerlingh Onnes "monopolizó" completamente este campo, ya que Leyden fue, hasta 1923, el único lugar del mundo que disponía de helio líquido. 

En aquellas épocas se sabia que los metales tienen una resistividad que disminuye de manera prácticamente lineal con la temperatura hasta unos 20 K, y se quería averiguar que ocurría con esta resistividad en las proximidades del cero absoluto. Kamerlingh Onnes se dió cuenta muy pronto de que era necesario disponer de metales muy puros, si quería obtener resultados libres de toda ambigüedad. 

Eligió el mercurio, elemento que puede conseguirse con un alto grado de pureza y que además es conductor en estado metálico. De este modo, y enfriando el mercurio a muy baja temperatura, pudo observar un fenómeno nuevo y totalmente inesperado: a una temperatura de 4,2 K, el mercurio pasaba bruscamente a un estado en el que, repentinamente, no ofrecía resistividad alguna al paso de la corriente eléctrica. Esta transición se manifestaba por una caída muy brusca de la resistividad. Kamerlingh Onnes había descubierto la superconductividad. 

Poco después se observó que la misma transición al estado de superconductor se producía en otros metales, como el plomo o el niobio, a temperaturas críticas ligeramente mas altas. En todos los casos la temperatura que se requería era sólo un poco mayor que la del cero absoluto, que en la práctica únicamente podía conseguirse sumergiendo un trozo del material en helio líquido, que hierve a 4,2 K a la presión atmosférica normal.

Onnes pensó en seguida la posibilidad de construir un electroimán de alto campo y, en 1913, construyó una bobina de plomo para ensayar la idea. Los resultados fueron desconcertantes. Si bien la bobina era superconductora en tanto que la corriente de excitación fuera pequeña, cuando el campo magnético excedía de una intensidad moderada el plomo pasaba siempre al estado resistivo. Experimentos ulteriores mostraron que todos los superconductores metálicos puros presentaban una intensidad de campo crítica que les era propia y que estaba claramente definida, siendo usualmente menor de 0,1 T; al llegar a este valor, la superconductividad se extinguía súbitamente.

Posteriormente a partir de los años 1930, la superconductividad se observó también en cuerpos compuestos, principalmente en aleaciones intermetalicas. 

En 1933, W. Meissner y R. Ochsenfeld observaron un fenómeno adicional: la exclusión del flujo magnético externo cuando el superconductor es enfriado por debajo de su temperatura critica Tc. En su honor este efecto se conoce hoy en día como efecto Meissner y es el responsable de la imagen típica que todos asociamos con la superconductividad: la de un pequeño disco de material refrigerado flotando libremente en el aire por encima de un imán. 
El experimento de Meissner demostró que el superconductor no cumplía con la formulación clásica de las ecuaciones de Maxwell para resistividad nula.

En 1935 los hermanos Fritz y Heinz London desarrollaron una teoría fenomenológica de la superconductividad, es decir, estudiaron cómo ocurren las cosas en un superconductor, pero no el porqué. En esta teoría, a las ecuaciones de Maxwell se agregaban dos ecuaciones complementarias para el efecto Meissner, para demostrar que el campo magnético decae en el interior del superconductor con una longitud característica conocida como longitud de penetración l. Además Fritz London sugirió que la superconductividad es una manifestación de la mecánica cuántica operando a escala microscópica.

En la década de los 50 se hacen enormes progresos en la búsqueda de materiales superconductores con temperaturas críticas mayores y campos críticos más intensos, especialmente en los grandes laboratorios americanos tales como los de la General Electric, Bell Telephone, Westinghouse, etc., dando lugar a la aparición de superconductores tipo II caracterizados por una expulsión parcial del flujo magnético conservándose la resistividad cero. Este tipo de materiales normalmente son aleaciones intermetálicas que poseen temperaturas críticas más altas y campos magnéticos críticos más intensos que los correspondientes a superconductores tipo I. Los superconductores más usados en la generación de campos magnéticos de varias Teslas son compuestos de Nb-Ti y Nb-Sn. 

El primer intento de explicación de lo que ocurría en las entrañas de un superconductor se debe a Frölich en 1950, el cual se basó en unos experimentos de la época que pusieron de manifiesto que la temperatura de transición tenia mucho que ver con la masa de los iones del material. Gracias a estos trabajos, fue abriéndose paso la idea de que la superconductividad era una fase distinta de la materia.

La teoría básica del comportamiento de un superconductor respecto un campo magnético externo fue descripta por el físico ruso Alexei A. Abrikosov en los años cincuenta, en base a los trabajos de Ginzburg y Landau.

Pero hubo que esperar hasta 1957, cuando Bardeen, Cooper y Schrieffer desarrollaron la teoría cuántica que explicaba mejor la superconductividad, conocida en su honor como teoría BCS. La misma parte de la existencia de los "Pares de Cooper", como una pareja de electrones con momento y spin opuestos unidos por una fuerza de tipo atractivo producida por la interacción con la red de iones positivos en la cual ellos se mueven. Así superconductividad aparece como consecuencia de la existencia de los pares de Cooper mediados por la interacción electrón-fonón. La teoría BCS predice la existencia de una brecha de energía D (T) sobre el nivel de Fermi que desaparece a la temperatura crítica Tc con una relación 2D (0)/kBTc » 3.5, donde kB es la constante de Boltzmann. Una serie de experimentos confirmaron este valor en los ahora llamados superconductores clásicos. Asímismo la teoría BCS permite determinar la distancia promedio a la cual se encuentran los dos electrones que forman el par de Cooper, conocida como longitud de coherencia, concepto que había sido introducido por los teóricos rusos Ginzburg y Landau en 1950 en una descripción fenomenológica de la superconductividad. Los parámetros longitud de penetración l y longitud de coherencia x son fundamentales en la superconductividad y aparecen en forma natural en el marco de la teoría BCS. 

La elevación de las temperaturas críticas (Tc) fue prosiguiendo a lo largo de los años, con un progreso lento pero bastante regular.

En el año 1960 se demostró que el titanato de estroncio (SrTiO) se hace superconductor, pero con una temperatura de transición muy baja: 0,3 K. Posteriores estudios analizados en Rüshlikon permitieron aumentar esta temperatura crítica hasta 0,8 K mediante el dopado del compuesto con niobio.

En 1962, Josephson predijo la unión que lleva su nombre (y que posteriormente fue confirmada experimentalmente), un dispositivo que permite la medida extremadamente precisa de campos magnéticos. Tuvieron que pasar 11 años antes de que Josephson recibiera el Nobel por sus trabajos. 

En 1973, D.C. Johnston y sus colegas obtuvieron un resultado mas significativo con un oxido de titanio y litio (Li-Ti-O) : una temperatura crítica de 13,7 K. En 1975, A.W. Sleight y sus colaboradores observaron una transición a 13 K en un compuesto de valencia mixta: un oxido de bario y plomo dopado con bismuto (BaPbBiO).

En 1973 la temperatura crítica mas elevada fue de 23,3 K, con una aleación de niobio y germanio (Nb Ge). Trece años mas tarde la situación era la misma y la mayoría de los físicos habían acabado por convencerse de que no podía llegarse mucho mas lejos.

En 1986, Alex Muller y George Bednorz (ganadores del Nobel de Física en 1987) detectaron superconductividad en una nueva cerámica, un oxido de bario/lantano/cobre (LaBa)2CuO4 a una temperatura Tc superior a 35 K. En 1987 Maw-Kuen Wu y Paul C. W. Chu descubrieron una cerámica de oxido de itrio, bario y cobre (conocida abreviadamente como YBaCuO) que era superconductora a 93 grados Kelvin. Esto significaba que estos materiales podían refrigerarse con nitrógeno liquido. Hasta los refrigeradores de laboratorio mas pequeños podían enfriarlos por debajo de la temperatura crítica. Por todo el mundo, los científicos continuaron descubriendo centenares de cerámicas con temperaturas críticas cada vez mayores.

Por otra parte, a partir del descubrimiento de los fullerenos, una nueva forma cristalina del carbono, diversos grupos se interesaron en las propiedades de transporte del denominado C60, llegando a encontrar que ciertas sales de C60 eran superconductoras; así el C60 dopado con potasio con una estequiometría K3C60 tiene una Tc de 18 K y el dopaje con rubidio conduce a Tc del orden de 28 K. A pesar de muchos esfuerzos en la búsqueda de otros tipo de materiales son los cupratos los materiales que, a la fecha, muestran Tc por encima de los 100 K. 

Desde 1986, fecha de su descubrimiento los superconductores de temperaturas relativamente “altas” plantean difíciles problemas a los teóricos. Todavía no se sabe si el mecanismo responsable del agrupamiento de los electrones por pares, que está en el origen de la superconductividad, es o no similar al de los superconductores convencionales ó clasicos. 

La historia aún está inconclusa...


Teorías de la superconductividad 

La teoría básica del comportamiento de un superconductor respecto a un campo magnético externo fue descrita por el físico ruso Alexei A. Abrikosov.

Distinguía dos categorías de superconductores, designadas por tipo I y tipo II, como se indicó en la introducción. En un campo magnético muy débil, estas dos clases de materiales actúan de forma muy parecida: ambos expelen completamente el campo. Las diferencias surgen cuando se intensifica el campo. En los materiales de tipo I, que en su mayor parte son materiales puros, la corriente de blindaje de la superficie se colapsa y el flujo magnético entra súbitamente en el material a una intensidad de campo crítica bien definida. Los materiales de tipo II muestran su superconductividad a través de un proceso más gradual. El flujo magnético empieza a penetrar a una intensidad de campo baja (el campo crítico más bajo), pero no se elimina la última traza de superconductividad hasta que se aplica un campo más intenso (el campo crítico superior).

La penetración del flujo magnético en un superconductor del tipo II depende crucialmente de una limitación de la mecánica cuántica: la existencia de un cuanto mínimo de flujo magnético. Por tanto, el campo del interior de un superconductor del tipo II no puede crecer continuamente, sino que debe aumentar por pasos, con un cuanto de flujo cada vez. Abrikosov sugirió que cada cuanto de flujo (fluxoide) pasa a través del material dentro de un canal microscópico de metal resistivo normal. Cada canal está rodeado por un pequeño torbellino de sobrecorriente, que actúa protegiendo el material superconductor próximo respecto del campo interno del cuanto de flujo. La función de la corriente en el torbellino ó vórtice es análoga a la de la corriente de blindaje superficial a intensidades de campo más bajas.

Una sección transversal de tal tipo de torbellino revelaría una región estrecha del núcleo donde el manto magnético alcanza su valor máximo y donde la densidad de los pares de electrones superconductores es mínima (ver teoría BCS). Un observador que se desplazara hacia el exterior desde el núcleo comprobaría que la densidad de los electrones apareados aumentaba y se aproximaba a la densidad de equilibrio característica del material compacto a una distancia de una longitud de coherencia. A la inversa, el campo magnético disminuiría con la distancia referida al núcleo, y llegaría a anularse a la distancia de una profundidad de penetración de valor unidad.

El tipo I o el tipo II de un superconductor dado viene determinado por los valores relativos de la longitud de coherencia y de la profundidad de penetración. En los metales puros y en otros materiales pertenecientes al tipo I, la longitud de coherencia es mayor que la profundidad de penetración; no se forman torbellinos. El costo energético invertido en la creación de un torbellino es mayor que el gastado en eliminar completamente el estado de superconducción. En los materiales del tipo II, la longitud de coherencia es menor que la profundidad de penetración. Por tanto, sale energéticamente favorecida la formación de torbellinos.
A medida que aumenta el campo magnético aplicado a un superconductor del tipo II, va creciendo el número de cuantos de flujo enfilados a través del material. Forman típicamente una estructura similar al cristal con una célula unitaria triangular. Entre los canales del torbellino quedan regiones del metal superconductor; de este modo persiste la superconductividad en el material compacto. Mientras se mantenga un único filete contínuo de superconductor, la resistencia medida en la muestra debe ser igual a cero. El superconductor del tipo II sólo se extingue cuando los torbellinos están agrupados tan estrechamente que no puede existir ese paso continuo; tal ocurre cuando se alcanza al campo crítico superior.

La teoría microscópica estándar de la superconductividad es conocida como teoría BCS, llamada así en honor a K. Bardeen, L. Cooper y J.R. Schrieffer, que la propusieron en 1957 ( y por la cual les fue concedido el premio Nobel en 1972). 
La misma explica perfectamente las propiedades de los materiales superconductores de muy baja temperatura crítica (superconductores por debajo de 23 K, llamados clásicos o convencionales). 

Para estudiar la conducción “normal” en un metal, habitualmente se supone que es infinito, que los átomos se disponen de forma perfectamente periódica formando una red cristalina y que los electrones se mueven facilmente por todo el sistema. Este modelo simple e irreal, que recibe el nombre de gas de Fermi (por el físico italiano Enrico Fermi, que concibió una imagen similar de los núcleos atómicos), paradójicamente da unos resultados excelentes a la hora de describir las propiedades básicas de cualquier metal. Sin embargo, desprecia, entre otras muchas cosas, la interacción que hay entre el gas de electrones y los iones de la red.

Los iones no están fijos en sus posiciones, sino que vibran alrededor de ellas. Es válido visualizarlos como pequeñas bolitas enganchadas a sus vecinas mas próximas mediante resortes. Las fuerzas restauradoras que crean los resortes sobre un ión cuando este se mueve un poco de su posición hacen que vibre y que esta vibración se propague por todo el cristal. Ahora bien, como estamos en una escala microscópica (de menos de una millonésima de un milímetro), debemos estudiar el problema desde el punto de vista cuántico. La teoría cuántica afirma que estas ondas no pueden tener una energía cualquiera. La energía esta cuantizada en paquetes llamados fonones. Frölich estudió que pasaba cuando un electrón libre de un metal interaccionaba con un fonón. Llego a la conclusión de que la superconductividad tenía mucho que ver con dicha interacción, ya que la temperatura de transición estaba ligada con la masa de los iones de la red.

Apoyándose en el trabajo de Frölich, los físicos Bardeen, Cooper y Schrieffer, trabajaron en una teoría completa de la superconductividad, descubriendo el mecanismo microscópico que daba lugar a que un metal se volviera superconductor: un electrón interactúa con un fonón, deformando la zona de la red cercana; un segundo electrón ve entonces que la red esta deformada y se ajusta para que su energía siga siendo mínima. Esta interacción indirecta entre los dos electrones mediada por los fonones provoca, en determinadas circunstancias, que los dos electrones se atraigan entre si, superando la natural repulsión que sufren y formando un par ligado. Por encima de la temperatura de transición, hay poquísimos pares de electrones que están ligados. Pero, por debajo, hay una transformación entera del sistema que genera muchos pares de estos, es decir, el metal sufre una transformación de fase.

El concepto básico de la teoría BCS es la idea del emparejamiento: a una temperatura lo suficientemente baja, los electrones del metal se asocian en pares, llamados pares de Cooper, análogos a moléculas. Para romper un par hay que suministrar una energía por lo menos igual a su energía de enlace. No es de extrañar, pues que el superconductor no pueda absorber energías inferiores a un cierto valor crítico (llamado banda prohibida del superconductor). 

Los experimentos sugieren que los superconductores clásicos tienen una banda de energías electrónicas prohibidas, denominada habitualmente “gap”. En los metales ordinarios, las cargas pueden moverse libremente y se aceleran en presencia de un campo eléctrico. Por debajo de la temperatura crítica, a los pares de electrones de un superconductor les está prohibido por las leyes de la mecánica cuántica desplazarse por encima de un cierto valor de la velocidad.

El gran triunfo de la teoría BCS fue probar que ese gap era una consecuencia directa de la formación de los pares de electrones. Es más, fue posible demostrar que todas las propiedades físicas de un superconductor se podían escribir en función del tamaño del gap. Por ejemplo, al aplicar un campo magnético a un superconductor, se necesita que aquel sea bastante grande para que los electrones ganen mucha energía y puedan saltar la zona prohibida. De esta manera, los pares se rompen y desaparece la superconductividad.

Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un metal ordinario, los electrones en movimiento pueden ser desviados por impurezas o por los movimientos de la red cristalina. Estas colisiones son responsables de la resistencia eléctrica del metal. pero cuando se hace pasar una corriente eléctrica por un superconductor, los pares de Cooper se mueven de un modo coherente. Simplificando, todos ellos, efectúan el mismo movimiento (esta propiedad esta ligada al hecho de que, contrariamente a las moléculas ordinarias, los pares de Cooper se interpenetran ampliamente). 

Un electrón no puede ser desviado individualmente y la resistencia eléctrica desaparecer. Como en las moléculas ordinarias, los pares se forman porque hay una fuerza de atracción entre los electrones. En los superconductores de baja temperatura crítica, esta atracción se debe a la interacción de los electrones con las vibraciones de la red cristalina. 

Los cuantos de estas vibraciones son los fonones; que son los análogos de los fotones luminosos. Pero este mecanismo particular de la atracción entre dos electrones no es un ingrediente esencial de la teoría BCS. Se puede considerar también una interacción en que intervengan las fluctuaciones de los momentos magnéticos de los iones de cobre. Actualmente, hay solidas pruebas en favor de la existencia de pares de Cooper en los superconductores de alta temperatura crítica. Por el contrario, el mecanismo de formación de estos pares es objeto de gran controversia. 

Hoy en día no se conoce con certeza el mecanismo que produce la superconductividad en las cerámicas superconductoras a “altas” temperaturas. 
Parece ser que, a diferencia de los superconductores clásicos, la forma concreta en que se disponen los átomos del cristal representa un papel muy importante en la aparición del fenómeno. La mayoría de estas cerámicas son conductoras por encima de su punto de transición, debido a las peculiaridades del enlace entre los átomos de cobre y oxigeno que forman el núcleo (cuprato) de su composición. Estos átomos se disponen en forma de capas alternas dentro del material, permitiendo que un cierto número de electrones puedan desplazarse entre los mismos sin resistencia alguna. Todavía no esta muy claro el porqué son superconductores estos materiales aunque la opinión más generalizada es que este fenómeno está muy relacionado con el magnetismo. En la cerámica descubierta por Bednorz y Muller se ha observado que, por encima de la temperatura crítica, exhibe un forma particular de magnetismo. Pero, por debajo de la temperatura de transición, se modifica la estructura cristalina (u ordenamiento de los átomos), destruyendo el magnetismo y el material se vuelve superconductor


Superconductores de “alta” temperatura 

Desde que la superconductividad fue descubierta en 1911 hasta 1986 no se había conseguido encontrar materiales con Tc “altas” (la mayor era de 23 K), lo que exigía que los materiales fueran enfriados a la temperatura del helio líquido (4,2 K), lo cual era muy caro y necesitaba de una tecnología muy sotisficada. 

Pero en 1986 se descubrió un compuesto a base de óxidos de cobre, lantano y bario (conocida abreviadamente como BaLaCuO) que se vuelve superconductor a 35 K. Esto provocó una fiebre de estudios en tres direcciones preferentemente. 

La primera fue la búsqueda de nuevos compuestos a fin de obtener una Tc cada vez mas elevada. En 1987 se superó la temperatura del nitrógeno líquido (77 K) con un compuesto a base de itrio, bario y cobre que sigue siendo el mas estudiado (YBa2Cu3O7). Fue un paso importante porque ya se comienza a pensar en sus aplicaciones a gran escala, ya que el nitrógeno líquido es diez veces mas barato que el helio líquido. 

La segunda dirección es la mejora de los métodos para sintetizar estos materiales. 

La tercera es la comprensión de sus propiedades físicas (eléctricas, magnéticas y ópticas). 

Este estudio se realiza para dos fases: A) Fase normal (por encima de la temperatura crítica), en la que se intenta saber si estos nuevos óxidos metálicos pueden clasificarse como metales tradicionales. B) Fase superconductora (por debajo de Tc), en la que se intenta determinar si las propiedades de estos nuevos compuestos pueden ser o no descritos por la teoría clásica BCS. 

La síntesis de estos materiales y su estudio sigue siendo un campo importante de investigaciones. 

Las observaciones de planos atómicos sucesivos en microscopios electrónicos han relevado a menudo, la existencia de nuevas fases y se especula con la posibilidad de sintetizarlos. También se correlaciona cada vez mejor los defectos en sentido amplio (diferencias estiquiometricas, impurezas) con el desorden y las propiedades de los distintos compuestos. 

Las estructuras cristalográficas de estas familias de óxidos de cobre han resultado ser bastante próximas y se caracterizan por la presencia de planos cobre-oxígeno llamados planos CuO2. 

Debemos hacer constar que también se han sintetizado óxidos de estructuras cubicas sin cobre o compuestos a base de carbono, cuya estructura tridimensional y composición química no se asemejan a las de los óxidos a base de cobre, es decir, hay varias clases de superconductores de alta temperatura crítica. 

Los nuevos compuestos mas prometedores vienen en forma de películas delgadas, debido a que en los cristales usuales se pueden observar numerosos defectos de todo tipo y a todas las escalas susceptibles de influir fuertemente en las propiedades físicas y en cambio en las capas delgadas se pueden aislar un defecto especifico, estudiarlo e incluso en ciertos casos sacarle provecho. 

Es también en las capas delgadas donde hoy se registran las mayores densidades de corriente (intensidad por sección transversal). Las altas densidades de corriente son un requisito indispensable para las aplicaciones que necesitan corrientes importantes o campos magnéticos intensos. 

Hay un limite absoluto para la densidad de corriente que puede recorrer un superconductor sin disipación de energía. Según la teoría BCS, esta limitación viene dada por la energía cinética que adquieren los pares de Cooper, cuando esta energía supera la de desacoplamiento, destruye los pares y con ellos la superconductividad y restaura el efecto Joule. 

Támbien hay otras causas, como impurezas o defectos cristalinos, que hacen que la densidad de corriente crítica medida sea inferior al limite teórico, estimado en 10^14 A/m2. 

Pero es muy frecuente que la corriente crítica medida disminuya en presencia de un campo magnético, por razones que tienen que ver con la naturaleza de los defectos, que limitan su valor y con la aparición en un campo magnético de nuevas fuentes de disipación todavía mal conocidas. 

Los físicos tratan de comprender mejor las propiedades de estos compuestos, que son muchos mas complejas que las de los elementos superconductores a baja temperatura (clásicos). 

Para el estudio en la fase normal, se concibió el nivel de Fermi, este nivel aparece por el principio de exclusión de Pauli, que prohibe que dos electrones se encuentren en el mismo estado; ello obliga a ocupar niveles de energía cada vez mayor, hasta uno de energía máxima, denominado nivel de Fermi. 

La detección del nivel de Fermi en fase normal de los óxidos superconductores se realiza mediante el efecto fotoeléctrico o fotoemisión, es decir, la emisión de electrones arrancados al metal cuando este es irradiado por una onda electromagnética de alta energía. La medida de la energía electrónico de que ocupan inicialmente en el compuesto. Pero este método no es muy fiable o muy complicado, porque es un método muy sensible a cualquier deterioro fisicoquímico de la superficie del material. 

Los resultados actuales, en el estado normal, concuerdan en establecer la existencia de una energía máxima para los fotoelectrones lo cual es compatible con la existencia con un nivel de Fermi. Los experimentos ópticos en el infrarrojo ayudan. 
Si el metal es conductor perfecto, toda la luz se refleja a causa de la completa libertad de movimiento de los electrones, cosa que no ocurre en un metal ordinario. Es decir, hay una relación directa entre la conductividad de un metal y su capacidad de reflejar la luz. 


Para comprender la fase normal, se siguen dos caminos: 

El primero es mejorar la descripción en términos de líquidos de Fermi y el segundo considera que hay que renunciar totalmente a ella. 

Este ultimo punto de vista es el que ha adoptado hace ya varios años el teórico P.W. Anderson, de la Universidad de Princeton. Según él, contrariamente al caso del líquido de Fermi, en el que los electrones son portadores de una carga eléctrica y de un "spin" (momento cinético intrínseco), estas dos magnitudes están disociadas en el estado normal de los nuevos compuestos. El trasporte de carga correría a cargo de los "holones" (partículas sin carga pero con spin) que transportarían el spin. Por ahora este modelo tiene una sola dimensión espacial. Se supone que estos conceptos son extensibles a la geometría bidimensional de los planos cobre-oxígeno de los óxidos superconductores. 

La caracterización de la fase superconductora ha progresado en gran parte gracias a la mejora de la calidad de las muestras. En lo tocante, a estudios fundamentales, el mejor terreno, pese a su reducido tamaño, es el de los monocristales, pues se puede acceder a todas las orientaciones cristalograficas y estudiar como las propiedades del compuesto dependen de la dirección espacial considerada. Uno de los progresos mas recientes ha consistido en hacer crecer monocristales carentes de ciertos defectos inherentes a la estructura metálica de dichos materiales. 

Los resultados mas notables de reflectividad en fase superconductora se obtuvieron en 1990 con un cristal desprovisto de defectos. El equipo IBM observó en el infrarrojo lejano un coeficiente de reflexión estrictamente igual a la unidad, característico de un conductor perfecto, pero únicamente en la dirección X. 

A partir de una cierta frecuencia, la reflecitividad deja de ser total. Es importante poder localizar dicha frecuencia, pues de ella se deduce el valor de la banda prohibida, que corresponde a la energía necesaria para romper un par de Cooper. Pero una predicción fundamental de la teoría BCS es que la banda prohibida expresada en Kelvin, es igual a 3,5 veces la temperatura crítica. El valor 3,5 es importante porque esta ligado a la intensidad de reacción de los electrones, una interacción que esta en el origen de los pares de Cooper, 3,5 significa un acoplamiento débil entre la red cristalina y los pares de electrones. 

La medida del equipo IBM sitúa la banda prohibida cerca de 700 K, valor muy superior a la temperatura crítica de 90 K. El factor de 3,5 queda pues ampliamente rebasado. Las medidas por efecto fotoeléctrico por debajo de Tc confirma la presencia de un umbral de energía, aquí también dos veces mayor que el valor previsto por la teoría BCS. 

Actualmente se dispone de muchos experimentos que concuerdan en asignar al cociente entre la banda prohibida y la temperatura crítica un valor muy superior al que prevé la teoría BCS para un acoplamiento débil. Estos resultados sugieren que la teoría clásica ha de tener en cuenta un acoplamiento fuerte, tal vez con los fonones, es decir, con las vibraciones de la red cristalina. Pero se consideran también otras interacciones, por ejemplo con las fluctuaciones colectivas de los momentos magnéticos de los iones de cobre. 

La estructura cristalina natural de los superconductores de alta temperatura, comparada con la de la mayoría de superconductores clásicos que son generalmente metales puros o aleaciones metálicas, es compleja. Esta formada por un apilamiento de capas de átomos de distinta naturaleza. 

Para comprender mejor el papel de estas capas, los investigadores empezaron a manipular dichos óxidos y a fabricar unas estructuras artificiales, las superredes superconductoras. Estas superredes están formadas por capas delgadas del superconductor a estudiar, alternando con capas de otros materiales, cuya composición y cuyo espesor se hacen variar a voluntad. 

Para comprender mejor los nuevos materiales que han ido apareciendo en los últimos años hay que dilucidar la relación entre su estructura cristalina y su superconductividad. Ahí es donde ha resultado muy útil la fabricación "a medida " de apilamientos de finas capas de tales superconductores : las superredes. 

¿Que son las superredes?. Partiendo de la idea de que los óxidos superconductores de alta temperatura cristalina tienen por si mismos una estructura en capas, era tentador para el experimentador invertir en la formación de dichas capas, modificar su apilamiento natural y su composición química, a fin de construir toda una panoplia de materiales, las superredes, auténticos híbridos que ayudarían a forjar los conceptos importantes. 

Estas estructuras artificiales están formadas por superposición de capas ultradelgadas de uno o mas compuestos, superconductores o no. Cada capa consta de un numero variable de planos atómicos, que puede estar comprendido entre uno y varias decenas. Cuando una capa es lo bastante gruesa, los planos atómicos se disponen por si mismos como en el material masivo, y se esta en presencia de una doble periodicidad en la dirección perpendicular a las capas. La periodicidad creada artificialmente, de ahí el nombre de superred. 

Las superredes de óxidos superconductores fueron realizadas por primera vez en la Universidad de Ginebra en 1989 y luego muy rápidamente al año siguiente en Estados Unidos. 

La temperatura crítica disminuye rápidamente al aumentar la distancia entre capas superconductoras sucesivas. Esta explosión de actividades esta ligada a las sorprendentes posibilidades que ofrecen las técnicas de punta de posición de capas delgadas, con la epitaxis por pulverización catódica o por chorros moleculares. Esta ultima técnica debe sus rápidos progresos a las exigencias de la fabricación de las superredes semiconductoras. 

¿ De que se trata? Es un recinto al vacío, se dirigen uno o varios chorros de átomos o de moléculas sobre un substrato en el que se depositan. A medida que los átomos van llegando, se va construyendo el cristal, que puede formarse sin ningún defecto si el proceso se lleva cabo cuidadosamente. Para formar las superredes de óxidos superconductores, los chorros contienen una mezcla de los átomos necesarios en proporciones calculadas de antemano. El amontonamiento de los átomos puede detenerse en todo momento tras el deposito de un cierto numero de planos atómicos, para proceder luego al deposito de otra capa de distinta composición. Aplicando tales técnicas a los óxidos superconductores, cabe pensar en fabricar estructuras dentro de las cuales se ha modificado el numero de planos CuO2 de una malla elemental (en los materiales masivos, la temperatura crítica depende del numero de planos de CuO2 por malla elemental). También se puede cambiar la secuencia de apilamiento entre los grupos de planos de CuO2 y luego observar como estos cambios estructurales modifican la temperatura crítica. 

Los primeros resultados de los experimentos, en la Universidad de Ginebra 1989, superaron las previsiones mas optimistas. El examen por rayos X demostró que las superredes preparadas por pulverización catódica tienen una calidad cristalina superior a la de las capas simples. Se llega incluso a depositar las capas malla elemental por malla elemental, lo cual corresponde a espesores extremadamente débiles, del orden de 12 Angströms, el compuesto mas utilizado en estos experimentos ha sido, YBaCuO. 

Por medio de estas superredes, en las que alternan capas de YBaCuO y de PrBaCuO se ha estudiado la evolución de las propiedades superconductoras con el espesor de las capas. En 1990 se demuetra que la temperatura crítica decrece rápidamente cuando aumenta la distancia entre los grupos de planos de CuO2. 

La superconductividad aparece pues a una temperatura mucho mas baja en una capa formada por una malla aislada de YBaCuO que en una capa gruesa cuya temperatura es de 90 K. Para obtener una elevada temperatura crítica parece importante apilar las mallas lo cual sugiere que las mallas no se comportan independientemente unas de otras. 

Se produce un nuevo fenómeno que es un "ensanchamiento" de la transición, el material no pasa bruscamente el estado superconductor a una temperatura dada sino que va perdiendo paulatinamente su resistencia al disminuir la temperatura. 

La interpretación de estos resultados es objeto todavía de muchas investigaciones. El cambio de la temperatura de transición superconductora al separarse los planos de CuO2 indica que el acoplamiento entre planos contribuye a aumentar esta temperatura. No obstante, todavía no se ha descubierto la manera de como el acoplamiento modifica la temperatura crítica. El ensanchamiento de las transición esta vinculado a la aparición espontanea de "vórtices" de corriente en los superconductores de dos dimensiones. 

En los superconductores convencionales, los vórtices sólo aparecen en presencia de campo magnético y pueden visualizarse como largos torbellinos de corriente que atraviesen el material. 

En los óxidos superconductores, sin embargo, la situación es distinta. Ante todo, en las capas cuasidimensionales como las que aquí nos interesan, los vórtices pueden aparecer espontáneamente en ausencia de campo magnético. 

Los vórtices nacen por pares y cada vórtice esta ligado a un antivortice en el que la corriente circula en sentido contrario. Como la energía de un vórtice es proporcional a su longitud, cuanto mas delgadas son las capas, mas fácil es crear estos pares vórtice/antivortice. A baja temperatura, ambos están ligados. Al aumentar la temperatura es de esperar que estos pares se disocien a una cierta temperatura característica. El punto crucial es que estos vórtices se volverán independientes, unos de otros, por encima de esta temperatura. Dicho movimiento consume energía y todo ocurre como si en el material apreciase una resistencia eléctrica. La temperatura a la que se disocian los vórtices es pues la temperatura de transición del sistema ya que, por encima de ella, la resistencia deja de ser nula. Lo esencial es que esa temperatura de transición es mas baja que la temperatura crítica del material grueso. Cuanto mas delgada es la capa, mas se reduce la temperatura crítica. Así, el intervalo de temperatura en el que se encuentran los vórtices libres aumenta: es el "ensanchamiento" observado por los investigadores. Esta transición, llamada BKT, encierra todavía muchos misterios. Las superredes claro esta, son los instrumentos idóneos para resolver la controversia, ya que permiten relacionar de un modo continuo la malla única y el superconductor masivo. 

En los superconductores de alta temperatura, al aplicarles un campo de unos 10 Tesla, la resistencia del material podía hacerse hasta cien veces superior a la del cobre. La razón se descubrió pronto: los vórtices en las cerámicas superconductoras no permanecen fijos en una estructura triangular rígida, sino que se van desplazando caóticamente. Puesto que cada vórtice esta constituido por una corriente eléctrica que circula alrededor de un núcleo de materia normal no superconductora, al aplicar una corriente eléctrica adicional a la muestra esta se suma a la corriente que circula a un lado del vórtice y se resta a la del otro. Como resultado se produce una fuerza que actua sobre la línea de vórtice semejante a la que aparece en el ala de un avión. Si las líneas de vórtices se mueven debido a esta fuerza gastaran energía de la corriente y aparecerá una resistencia eléctrica. Hoy en día se trabaja intensamente para solucionar este problema.

Una de las estrategias que mas éxito ha tenido ha sido la de fijar los vórtices mediante impurezas estratégicamente colocadas (dopaje): de esta forma consigue equipararse su comportamiento al de un superconductor clásico, al impedir el desplazamiento de los vórtices y el que este movimiento extraiga energía de la corriente suministrada.


Aplicaciones, beneficios y limitaciones

La principal dificultad actual por vencer, antes de pasar a la fase de las aplicaciones prácticas de los superconductores, es producir hilos o bandas relativamente flexibles de estos materiales (generalmente frágiles) sin alterar sus propiedades superconductoras.

La naturaleza cerámica de los nuevos superconductores de alta temperatura presenta problemas en su aplicación. Los materiales propiamente dichos son bastante fáciles de hacer. El más popular actualmente, el de itrio-bario y óxido de cobre (Y Ba2 Cu3 O7), se ha producido en laboratorios de escuelas, pero es frágil y difícil de manufacturar en forma de cable. Es precisamente lo contrario de lo que se necesita, que es un material dúctil, fácil de conformar, que pueda estirarse en forma de alambres, estamparse en hojas y láminas, etcétera. Afortunadamente, algunas de las aplicaciones del tipo de la informática necesitan la deposición de capas muy delgadas sobre substratos aislantes. Hay varios métodos normales para este fin, entre otros la simple deposición de vapores en el vacío y la deposición a partir de un gas ionizado. 

Si el material en forma de polvos puede hacerse superconductor, deberá ser posible también formar "alambre" metiendo primero los polvos en un tubo de metal y reduciendo seguidamente el diámetro del tubo mediante una técnica de trefilado para comprimir los polvos en el interior. Muy bien puede ser que el éxito en la aplicación de los nuevos materiales dependa más del desarrollo de técnicas de fabricación idóneas que de un conocimiento profundo de cómo se comportan ellos al nivel de las estructuras cristalinas. 

Como se dijo anteriormente, en los superconductores de alta temperatura, al aplicarles un campo de unos 10 Tesla, la resistencia del material podía hacerse hasta cien veces superior a la del cobre en razón de que los vórtices en las cerámicas superconductoras no permanecen fijos. Una de las vias de solución que mas éxito ha tenido ha sido la de fijar los vórtices mediante impurezas estratégicamente colocadas (dopaje): de esta forma consigue equipararse su comportamiento al de un superconductor clásico, al impedir el desplazamiento de los vórtices y el que este movimiento extraiga energía de la corriente suministrada.

Otro gran obstáculo que apareció es que las cerámicas superconductoras sólo conseguían transmitir una cantidad limitada de electricidad sin ofrecer resistencia, debido a la estructura en capas del material: si las capas no se alinean perfectamente, los electrones chocan contra la frontera de la región desalineada y se frenan. Este problema se ve empeorado en presencia de un campo magnético. Una estrategia exitosa en este campo ha consistido en alinear las capas de cuprato cuidadosamente, a fin de reducir al mínimo las discontinuidades. Para ello se depositan capas micrométricas de material sobre substratos bien alineados, utilizando las mismas técnicas que se emplean para la fabricación de circuitos integrados. 
La combinación de estas dos tecnologías ha conseguido resultados espectaculares: actualmente se manejan densidades de corriente sobre un YBaCuO del orden de 10^10 A/m2, que descienden a 4 .10^9 A/m2 en un campo de 9 T... mientras que al principio el YBaCuO solo permitía el paso de 10^5 A/m2 y perdía toda conductividad en un campo de 0,01 T. Estos valores de conductividad ya son comparables a los de los superconductores tradicionales.

Al principio se consideraba que una aplicación ideal del descubrimiento de la superconductividad, era la de hacer motores y generadores eléctricos de rendimiento elevado, pues gran parte de las pérdidas energéticas en las máquinas electromagnéticas se deben al calor generado por el paso de la corriente a causa de la resistencia de los bobinados. De poderse eliminar la resistencia haciendo los bobinados con hilos de material superconductor se evitarían esas pérdidas. Pero estas esperanzas se vinieron abajo con el descubrimiento de que la superconductividad desaparecía al poner el hilo superconductor dentro de un fuerte campo magnético. Como los motores y generadores necesitan campos de gran intensidad para funcionar, el perfeccionamiento esperado parecía ser inalcanzable.

Pero con la aparición posterior de los superconductores que continuan siendo superconductores en presencia de campos magnéticos muy elevados, se vuelve a considerar tal idea como mas viable en el futuro.

El empleo de hilos superconductores podría evitar el 15% de pérdida de energía, debida a la resistencia de los hilos eléctricos corrientes. 

En otro orden de cosas, recordemos que todas las máquinas eléctricas actuales se excitan mediante electroimanes que emplean bobinados de cobre. En estos aparatos, se aprovecha la alta permeabilidad magnética del hierro o de las aleaciones de hierro con que se fabrican sus circuitos magnéticos. Cada átomo de hierro, o de otro material ferromagnético, posee un momento magnético que puede ser inducido a alinearse con un campo magnético impuesto externamente. La proporción de momentos atómicos alineados depende de la tensión del campo aplicado, y por tanto, de la corriente de excitación de la bobina

Este proceso tiene un límite obvio; una vez que los momentos atómicos son paralelos, los incrementos ulteriores que puedan registrarse en la corriente de excitación no inciden ya en la magnetización. Se dice entonces que el núcleo está saturado. En el caso del hierro, la saturación se alcanza para una intensidad de campo de unos 2 T. Los electroimanes, las máquinas eléctricas y los restantes componentes del sistema de potencia están actualmente limitados en su rendimiento por la barrera de la saturación.

Las cantidades de energía disipadas en los arrollamientos de un electroimán de cobre no se necesitan para mantener el campo magnético. Al contrario, no se precisa de energía alguna para mantener un campo magnético permanente una vez establecido éste. La energía se pierde en el calor producido en la resistencia del cobre debido a la circulación de la corriente de excitación.

Así un electroimán de construcción normal posee la cualidad poco envidiable de tener un rendimiento nulo, pues toda la energía de la corriente excitadora se disipa en la resistencia del hilo de la bobina. Si se redujera a cero esta resistencia mediante el uso de hilo superconductor podrían conectarse juntos los extremos del bobinado, y la corriente excitadora podría circular eternamente sin ayuda externa.

Entonces podrían utilizarse grandes bobinas superconductoras (electroimanes) como fuente de almacenamiento de energía. Estas bobinas superconductoras podrían acumular importantes cantidades de energía en su campo magnético. La corriente circularía indefinidamente en ellas, sin perdidas, siendo posible extraerla por simple apertura del anillo de corrientes. Este sistema se ha propuesto, por ejemplo, para el almacenamiento de energía en vehículos eléctricos.

En todas aquellas aplicaciones en que sean necesarios campos de una intensidad enorme, los superconductores clásicos no tienen rival. 
La forma mas evidente de crear un campo magnético es mediante una bobina que al ser atravesada por una corriente eléctrica crea un campo directamente proporcional a la intensidad de la misma. Con conductores normales, el campo máximo que se puede generar no es muy grande, ya que al incrementar la corriente los cables comienzan a calentarse peligrosamente debido a la resistencia eléctrica. Con los superconductores no pasa esto: su resistencia es cero y pueden producir campos magnéticos altísimos. La aplicación típica en este caso son los aceleradores de partículas como el Tevatron del Fermilab en EE.UU. con una capacidad de un tera electrón-Volt (TeV), equivalente a un billón de electrón-Volt.

La idea es tan atrayente, que en ciertos casos vale la pena invertir en instalar refrigeración por helio líquido para mantener fría la bobina superconductora. La energía que se ahorra al hacer desaparecer la resistencia de la bobina compensa con creces el costo de la refrigeración. Entre ellas se cuentan los bobinados de campo para los equipos de resonancia magnética nuclear empleados en medicina para la exploración del cuerpo, los espectrómetros de microondas utilizados en química y los grandes aceleradores de partículas. 

Ni siquiera disponiendo de los materiales adecuados, la fabricación de un electroimán superconductor resulta una tarea simple. Si alguna pequeña región del arrollamiento extingue su superconductividad por superar la densidad de corriente eléctrica, esa zona se comportaría como una conexión de alta resistencia y se vería sometido a un fuerte calentamiento resistivo. El calor desarrollado extinguiría naturalmente las zonas próximas al superconductor, con lo que aumentarían las zonas normales. De no controlarse ese proceso autoalimentado, las consecuencias podrían llevar a destruir el aislamiento y dañar permanentemente la estructura.
Para evitar esto, en algunos casos los hilos empleados para los bobinados son mixtos: las partes de aleación superconductoras van pegadas a conductores de cobre. Si, como puede ocurrir, una pequeña parte del superconductor sufre sobrecarga y vuelve al estado de conductividad normal, el cobre obra entonces como derivación temporal de baja resistencia hasta que se enfría. En el Reino Unido, IMI produjo recientemente aleaciones aptas para estos usos.

Existen también interesantes perspectivas de aplicaciones en el campo de los circuitos integrados, donde la velocidad de ejecución esta limitada no por los diferentes elementos del circuito, sino mas bien por las conexiones, muy resistivas. El empleo de materiales superconductores permitirá paliar este inconveniente y construir microprocesadores mas rápidos, naturalmente a condición de que el circuito pudiera funcionar a la temperatura de superconducción.

Se espera que con la llegada de los superconductores de "alta temperatura" se vuelvan más viables muchas de las aplicaciones posibles de baja potencia que se han llevado a cabo con dispositivos refrigerados con helio líquido.

Los nuevos superconductores trabajan a temperaturas por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido (77 K ó -196 ºC). El nitrógeno líquido es relativamente barato y seguro. Un litro de helio líquido cuesta alrededor de cuatro dólares, su almacenamiento es caro y su manipulación engorrosa. En cambio, el nitrógeno líquido es más barato que la cerveza y fácil de manejar.

Una aplicación que se vislumbra es la de la computadora criogénica. La tecnología ha sido establecida ya, notablemente por IBM. Este tipo de computadora se vale del hecho de que la superconductividad puede ser destruida por un campo magnético. Esto, que en las aplicaciones de potencia es un inconveniente, en informática resulta ser una bendición, pues permite modificar la resistencia de un circuito desde cero hasta un valor pequeño pero finito, que es lo que constituye la base de un circuito de compuertas lógicas. Si pueden hacerse puertas de esta clase, entonces será posible también hacer circuitos de computación. La ausencia de resistencia en el estado superconductor contribuye a la operación rápida, y la rapidez es un requisito primordial para mejorar las computadoras convencionales, en los cuales se realizan operaciones en forma secuencial y la duración de una secuencia determina la velocidad de trabajo de dichas computadoras.

Por otro lado, en la técnica de comunicaciones la resistencia trae consigo otro inconveniente: el ruido. Toda resistencia en un amplificador genera ruido, lo cual impone un límite más bajo a la amplitud de señal que puede ser detectada. Por debajo de ese límite el ruido de resistencia ahoga la señal. Para las comunicaciones por satélite y espaciales sería muy interesante reducir el ruido de los amplificadores incorporando superconductores en las primeras etapas de los receptores. Ya se están usando algunos dispositivos refrigerados con helio líquido; los amplificadores refrigerados con nitrógeno líquido podrán reducir seguramente el costo y ampliar el campo de aplicación.

Un dispositivo amplificador que ya se ha logrado en la forma de "alta temperatura" con nitrógeno líquido en la Universidad de Strathclyde, Glasgow, es el superconductor de interferencia cuántica o SQUID (siglas de "superconductive quantum interference device"). Basados en las uniones Josephson, son captadores magnéticos extraordinariamente sensibles que permiten medir campos magnéticos y tensiones eléctricas increíblemente débiles, con una resolución del orden del picovolt (pV), o sea una billonésima de voltio.
Un SQUID es en esencia un detector extremadamente sensible a los cambios de intensidad del campo magnético. Sus usos abarcan desde aplicaciones militares hasta médicas: detección súper precisa de las señales eléctricas del cerebro y el corazón, comprobación no destructiva de tuberías y puentes (la fatiga del metal produce una firma magnética peculiar), paleomagnetismo, sensores geológicos para prospecciones petrolíferas, equipos militares de detección de submarinos observando los cambios que éstos producen en el campo magnético de la Tierra cercano a ellos, observación de la circulación de la sangre (pues la sangre es magnética) cuando se le pone cerca de un vaso sanguíneo, etcétera.

En el campo de la radio podrían usarse superconductores para reducir el tamaño de las antenas, que generalmente se hacen de dimensiones que guardan relación con la longitud de onda. La omnipresente antena dipolo de semionda es un ejemplo. Los intentos de reducir el tamaño a una fracción muy pequeña de una longitud de onda resultan invalidados por una fuerte reducción de la antena para radiar señales. Esta capacidad se describe técnicamente diciendo que una antena tiene una determinada resistencia de radiación. Una resistencia absorbe energía, y la resistencia de radiación de una antena es en realidad una cantidad ficticia que expresa la capacidad de la antena para lanzar energía al espacio que la rodea. Las antenas que son mucho más cortas que una longitud de onda tienen muy poca resistencia. Una antena corta vertical de alambre, por ejemplo, se comporta como una resistencia de una pequeñísima fracción de un Ohm en serie con una reactancia capacitiva muy elevada. En teoría debería ser posible desintonizar la reactancia para que la energía fluyera libremente a la resistencia (es decir, se propagara a lo largo de ella por radiación). En la práctica, las pérdidas de la bobina de inductancia que se necesita para desintonizar la capacitancia de la antena son tan grandes que se pierde prácticamente toda la energía en la bobina.

Si la bobina pudiera hacerse de material superconductor sería posible evitar este desperdicio. Entonces una antena corta sería, en teoría, igual de eficiente como antena emisora que una larga. Y como una buena antena de emisión también lo es de recepción, una antena receptora corta de material superconductor sería también igual de eficiente. Una forma de antena que parece ser muy prometedora para la fabricación con material superconductor es de cuadro, que es en efecto una bobina de electroimán y en su forma normal es ineficiente. 

El campo de los transportes por sustentación magnética también se ve afectado por las aplicaciones de los superconductores de alto campo crítico. En Japón ya han sido construidos trenes en los que la sustentación se realiza por medio de electroimanes superconductores, de forma de que no hay contacto entre el vehículo y el riel cuando el tren está en marcha. La ausencia de fuerzas de rozamiento permite obtener velocidades del orden de 400 km/h. Cabe prever que, con el escaso costo del enfriamiento del nitrógeno líquido comparado con el helio líquido, el interés de estos medios de transportes se verá rápidamente incrementado.

Un uso menos futurista de la levitación magnética es el de un cojinete superconductor. Una consecuencia de las propiedades magnéticas de los materiales superconductores (o más bien de sus propiedades antimagnéticas) es que si se acerca a ellos un imán experimentan una fuerza de repulsión. Dado un superconductor que tenga una forma física adecuada, esta repulsión puede mantener al imán flotando en el aire. Así pues, si el imán es un eje, se puede hacer girar prácticamente sin fricción. 

En una escala pequeña, un cojinete de baja fricción de este tipo podría ser muy útil en los giroscopios para instrumentos de navegación, en los que la resistencia de rozamiento es causa de errores. En una escala más grande, una combinación de bobinas superconductoras y ejes flotantes sería útil en motores y generadores eléctricos.

También pueden utilizarse en aparatos de formación de imágenes por resonancia magnética, más conocidos como RMN. Con esta técnica se coloca una sustancia en un campo magnético intenso que modifica el spin de los núcleos de determinados iones. Después, se somete a la muestra a una onda de radio que reorienta los núcleos. Al desaparecer la excitación se libera un pulso de energía que proporciona información sobre la estructura molecular de la sustancia, y que puede transformarse en una imagen mediante técnicas informáticas. El RMN es una herramienta casi indispensable para la formación de imágenes del cerebro, y con el advenimiento de los superconductores de alta temperatura podrá convertirse en una maquina mucho mas pequeña y barata: los superconductores clásicos enfriados por helio requieren voluminosos y delicados equipos de refrigeración. En cambio, el nitrógeno liquido es sencillísimo de producir y utilizar.

También se avisoran usos en investigación espacial. En el espacio, protegidos de la luz solar, es fácil conseguir temperaturas dentro del rango funcional de los superconductores de alta temperatura. En este aspecto la NASA ha financiado diferentes estudios sobre sensores y elementos de actuación electromecánicos con vistas a su utilización en naves espaciales.

Como se ve, la ingeniería médica, la física de las partículas, la fusión termonuclear, ya usuarias de electroimanes superconductores, serán otros campos de aplicación de los nuevos superconductores. También se esperan nuevos usos en microelectrónica, electricidad y comunicaciones.

Redacción SicaNews [ newsletter@sicaelec.com ]