2. TECNOLOGÍA DE SUPERCONDUCTORES

            Antes de empezar, deberíamos dar una información base sobre la electricidad y los conductores en general.

Electricidad básica

            ¿Por qué unos materiales se comportan como conductores, otros como semiconductores y otros como aislantes? La respuesta la debemos buscar en las propiedades atómicas del material.

            Los electrones están normalmente enlazados con los protones. Algunos materiales tienen un exceso de protones, por lo que se dice que están cargados negativamente. Otros poseen menos electrones de los que son capaces de contener, por lo que se dice que están cargados positivamente. Aquellos materiales que poseen el mismo número de electrones que de protones se llaman neutros.

            Los electrones en exceso de los materiales con carga negativa son atraídos por los protones en exceso de los materiales con carga positiva. Sin, embargo, los materiales por sí solos no pueden viajar por el espacio desde un material negativo a uno positivo. Un conductor es un material que permite el flujo de electrones. La diferencia de carga entre el material positivo y el negativo determina con qué fuerza los electrones serán expedidos del material negativo para alcanzar el positivo. Esta fuerza es proporcional a la diferencia de potencial, también llamada fuerza electromotriz o voltaje. Cuanto más alto es el voltaje, de más fuerza dispondrán los electrones para alcanzar el material positivo.

            La energía procedente del movimiento de los electrones puede emplearse a través de dispositivos eléctricos (bombillas, motores, circuitos eléctricos...). La potencia que los electrones pueden generar es función de dos parámetros fundamentales:

1. El voltaje, que es la fuerza electromotriz que dirige el flujo de electrones Su unidad es el Voltio.

2. La corriente es directamente proporcional al número de electrones que están fluyendo. Su unidad es el Amperio.

            Existen dos tipos de corriente eléctrica: la corriente alterna (AC), que se produce habitualmente mediante generadores; y la corriente continua (DC), que se genera con baterías y células solares. La mayor parte de los dispositivos electrónicos utilizan corriente continua.

Estructura atómica

            Los electrones, protones y neutrones constituyen la partícula más pequeña capaz de caracterizar un elemento: el átomo. El átomo tiene una forma difusa con los protones y los neutrones localizados en un pequeña y densa zona central denominada núcleo. Los electrones se mueven en torno al núcleo siguiendo distintas trayectorias a diferentes distancias del mismo. El número de protones en el núcleo determina el tipo de material (elemento).

            Los electrones giran en torno al núcleo agrupándose en orbitales que forman capas. la capa más próxima al núcleo puede almacenar hasta dos electrones, la siguiente ocho y la siguiente dieciocho. Los electrones de las capas exteriores determinan las distintas formas en que los átomos se pueden enlazar entre sí para constituir distintos tipos de materiales. Su un átomo tiene un sólo electrón en su capa más externa y otro necesita un electrón para completar la suya, ambos pueden unirse y compartir electrones. Es lo que llamamos enlace. Existen varios tipos de enlace.

            Cuando los átomos se enlazan entre sí para formar un sólido, pueden hacerlo siguiendo una estructura tridimensional repetitiva, que recibe el nombre de estructura o red cristalina. Cuando fluye corriente por un conductor, los electrones que viajan tienen que abrirse paso a través de la red, lo que origina la resistencia del conductor. Más adelante explicaremos porque los superconductores no presentan resistencia.

El efecto Meissner-Oschenfeld

            El efecto Meissner es un fenómeno en el cual un superconductor se comporta de manera tal que nunca permite que exista un campo de inducción magnética en su interior. En otras palabras, no permite que un campo magnético penetre en su interior. El campo magnético en el interior de un superconductor no sólo está congelado, sino que vale siempre cero.

            Por conductor perfecto entendemos un material cuya resistencia eléctrica es igual a cero. Un superconductor, además de presentar resistencia cero, presenta también el efecto Meissner-Oschenfeld. Se puede demostrar fácilmente que, en un conductor perfecto, el campo magnético tiene un valor constante, está congelado en su interior, pero no necesariamente vale cero, y esto trae como consecuencia que su estado de magnetización dependa necesariamente de los pasos que se hayan seguido para magnetizarlo.

            Por tanto, un superconductor es, además de un conductor perfecto, una sustancia en un estado en el que se presenta el efecto Meissner-Oschenfeld

            Cabe destacar que si el campo magnético es demasiado intenso, el superconductor vuelve a su estado normal (incluso estando por debajo de la temperatura crítica). Así, podemos comprobar como, a causa del Efecto Meissner, un imán puede levitar sobre un superconductor. La corriente crea una fuerza magnética opuesta a la del imán que provoca la repulsión de los dos materiales.

            Podemos clasificar los superconductores en dos tipos, en función de su capacidad para repeler un campo (o flujo) magnético).

1. Superconductores ideales, de Tipo I o suaves. Son simples metales puros, como el plomo o el estaño. Estos repelen el campo magnético hasta que alcanza una determinada intensidad. Esta intensidad se llama campo crítico, y es distinto para cada superconductor. Cuando el campo magnético alcanza su valor crítico, éste vuelve a su estado normal, perdiendo sus propiedades.

2. Superconductores de Tipo II o duros. Son materiales más complejos, frecuentemente aleaciones de metales de transición. En este tipo de superconductores, existe un segundo campo crítico más intenso que el primero. Cuando el campo magnético ha alcanzado su primer valor crítico, el superconductor ya no repele completamente el campo, pero sigue conduciendo sin ofrecer resistencia. Cuando el cuerpo alcanza un segundo valor crítico, el material presenta resistencia eléctrica.

Los únicos conductores perfectos que se han encontrado hasta ahora en la   naturaleza son, precisamente, los superconductores. Aún no se descubren conductores perfectos solamente, es decir, materiales con resistencia cero y sin que presenten el efecto Meissner-Oschenfeld.

Densidad de corriente

                El paso de una corriente intensa a través de un superconductor también puede hacer que éste pierda sus propiedades. La cantidad de corriente que un superconductor puede soportar manteniendo nula su resistencia se denomina densidad de corriente. La densidad de corriente se mide en amperios por unidad de área. Un valor típico de la densidad de corriente es de 100.000 amperios por cm². Si pasase una corriente más densa por el hilo, éste ofrecería resistencia.

            La mayor parte de los conductores son isótropos, es decir, conducen la corriente con igual facilidad en todas las direcciones. Esto implica con un hilo isótropo podemos conectar cualquier extremo del hilo indiferentemente de si sea la terminal de energía positiva o negativa. Sin embargo, muchos de los superconductores de alta temperatura son anisótropos (conducen mejor en unas direcciones que en otras).

El efecto Josephson

            El efecto Josephson es otra propiedad de los superconductores. Este efecto está basado en otro llamado efecto túnel. En una unión formada por una delgada barrera de óxido colocada entre dos superconductores, se puede producir efecto túnel. Las caras externas de los dos superconductores se unen entre sí, y se mide la corriente que pasa a través de la unión. Cuando la uniones expone a campos magnéticos o a radiación, el flujo de corriente cambia debido a que algunos electrones atraviesan la barrera de óxido (efecto túnel). Este efecto puede emplearse en circuitos de ordenadores, y para detectar campos magnéticos muy débiles. El efecto Josephson se puede producir a temperaturas muy superiores a las temperaturas críticas del material superconductor.

Teorías

La teoría microscópica estándar de la superconductividad es la 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).

            Cuando se elaboró la teoría aún no existían los superconductores de alta temperatura que hoy se están desarrollando. La teoría BCS intenta explicar la superconductividad a temperaturas próximas al Cero Absoluto. Cuando los materiales se refrigeran a estas temperaturas, el movimiento de sus átomos se reduce mucho.

            La teoría BCS afirma que los electrones que fluyen a través de un superconductor se agrupan en pares (pares de Cooper). Estos pares electrónicos se producen debido a los fonones (partículas asociadas a las vibraciones de la red cristalina), que crean una especie de pegamento subatómico. El par de electrones deja una estela al moverse a través de la red cristalina, que es aprovechada por los dos pares siguientes como amino a través de la red cristalina, evitando colisiones con otras partículas, lo obstaculizaría el flujo y generaría resistencia eléctrica (tal y como ocurre con los conductores normales).

            La teoría BCS supone que la actividad molecular de los átomos en la estructura cristalina del superconductor es muy reducida, cuando explica cómo los electrones pueden fluir a través de la red sin inferir con otras partículas.

Según la teoría BCS, a medida que sube la temperatura del material superconductor, aumentan las vibraciones de los átomos, que se traducen en vibraciones cada vez mayores de toda la red cristalina. Esta vibración excesiva provoca la ruptura del par de electrones, interrumpiéndose la estela del fonón, y causando la pérdida de la superconductividad (cuando se encuentra a una temperatura superior a su temperatura crítica.

La magnitud de las vibraciones de la red está relacionada directamente con la temperatura. El Cero Absoluto es el punto al cual desaparecen todas las vibraciones atómicas (es imposible alcanzar una temperatura más baja). A mesura que aumenta la temperatura por encima del Cero Absoluto, la magnitud de las vibraciones aumenta. La temperatura que tiene un material es la medida del movimiento de sus átomos. El punto de fusión de un material es la temperatura de transición a la cual las vibraciones atómicas son tan fuertes, que la estructura cristalina pierde su cohesión y éstos quedan libres para desplazarse. Si la temperatura sigue subiendo el material puede convertirse en gas.

La teoría BCS no explica por qué se produce superconductividad en los superconductores de alta temperatura. Las temperaturas críticas son demasiado altas para suponer unas vibraciones atómicas reducidas, como ocurre en los antiguos superconductores. Aún así, se cree que los electrones en los superconductores de alta temperatura fluyen emparejados.

Es difícil encontrar una razón que explique el emparejamiento de los electrones en los nuevos superconductores de alta temperatura. Las teorías actuales atribuyen el emparejamiento de los electrones a un mecanismo distinto al del fonón de la teoría BCS. Se trata del excitón.

El excitón (de electronic excitation) dice que cuando los nuevos superconductores de alta temperatura son enfriados a su temperatura crítica, las vibraciones de su estructura cristalina se sincronizan de tal manera que los electrones son guiados a través de la red. Existen más teorías que atribuyen el emparejamiento de electrones a altas temperaturas a distintos mecanismos.

Una de estas teorías atribuye el emparejamiento a los plasmones (movimiento colectivo de electrones). La teoría RVB (enlace de valencia resonante) se basa en la repulsión electrón-electrón: los electrones, al tener la misma carga negativa, se repelen entre sí creándose su propio camino a través de la red. Es preciso encontrar una nueva teoría para los nuevos materiales que tenga en cuenta su importante actividad atómica. Aunque es dudoso que se acepte una a corto plazo.

Fabricación de superconductores

            A continuación vamos a estudiar los procesos de fabricación industrial de superconductores. Ya sabemos cuales son sus propiedades y su estructura atómica, ahora pasaremos a analizar como se construyen, para satisfacer las distintas necesidades de una determinada industria u otra. Los superconductores de alta temperatura todavía no son explotados satisfactoriamente por la industria, debido a su reciente descubrimiento. Por ello, la inmensa mayoría de las aplicaciones comerciales se basan en los antiguos superconductores.

1.      Superconductores comerciales

Hoy en día, la industria saca partido de los superconductores especialmente a la capacidad de conducir corriente eléctrica sin resistencia. Para que un superconductor sea práctico, debe ser: resistente, de gran fiabilidad y fácilmente maleable. Existen dos grandes tipos de superconductores comerciales:

1.      Las aleaciones dúctiles son fáciles de darles la forma de hilos y cables, y de que son relativamente maleables. Son compuestos de niobio y titanio.

2.      Los compuestos intermetálicos son mucho más rígidos, y aunque se les puede dar formas en el proceso de fabricación, no son flexibles. Se sintetizan con vanadio y galio.

Los superconductores comerciales se suelen fabricar en forma de hilos, de modo que se puedan hacer bovinados para construir generadores, motores y electroimanes. Estos materiales tienen temperaturas críticas de 10 K. Pueden generar campos magnéticos muy potentes, y tienen densidades de corriente próximas a los 2.000 amperios por mm2. Estos compuestos comerciales de niobio-titanio o vanadio-galio cubren la mayor parte de las aplicaciones actuales de la superconductividad.

            En el laboratorio se han descubierto los superconductores de alta temperatura. Gracias a Alex Müller y Georg Bednorz se empezaron a hacer experimentos con unos cristales llamados perovskitas. Se prosiguió experimentando con compuestos cerámicos de perovskita. En 1987 se sintetizó un material cerámico superconductor con una temperatura crítica de 94 K. Por primera vez podía utilizarse un agente de refrigeración relativamente económico, como era el nitrógeno líquido (cuya temperatura de ebullición es 77 K).

La fabricación de estos nuevos superconductores cerámicos de perovskita es relativamente fácil:

1.      Mezclar y calentar los ingredientes. Se combinan óxidos de los metales ytrio, bario y cobre con ácido cítrico y etilen-glicol. La mezcla se calienta inicialmente a unos 38ºC. Luego, la mezcla ya caliente se mete en un horno, donde se cuece a unos 800ºC, con lo que se vaporizan los componentes líquidos, cristalizando el material en forma de polvos negros. El polvo es comprimido en un horno especial. El bloque resultante se enfría durante varias horas.

2.      Ya enfriado, el material se sumerge en un baño de nitrógeno líquido para probar la superconductividad. Se conecta un medidor de resistencia  al material refrigerado para medir su resistencia eléctrica. Si el material no presenta resistencia, entonces es posible que sea superconductor. Si además presenta el efecto Meissner, entonces es un auténtico superconductor. Se puede tener en cuenta también la densidad de corriente, así como el campo crítico.

3.      Después de haber desarrollado y probado los nuevos materiales, se les intenta dar una forma útil. Para diseñar dispositivos útiles es necesario fabricar el material en hilos, cintas y otras formas.