Superconductores

Ya que en el primer post de este blog se habló de superfluidos, quiero aprovechar la segunda entrada para hablar de un tema muy relacionado con ellos, los superconductores. Explicaré qué son los superconductores, qué propiedades poseen y finalmente hablaré de sus aplicaciones.

¿Qué es un superconductor? 

Para empezar, un superconductor se define como un material cuya resistencia eléctrica es nula. Eso se consigue a temperaturas muy bajas, por debajo del punto crítico (Tc), que varía en función del superconductor y con campos magéticos inferiores al campo magnético crítico (Bc), el cual es relativamente grande si lo comparamos con el terrestre.

El valor del campo magnético crítico a una temperatura dada se tabula a partir del valor de T=0K, tomando un valor (en T) de 0 para T=Tc. A medida que aumenta la temperatura, aumenta también la del campo magnético crítico, hasta superar Tc, temperatura a la que desaparece la superconductividad y el material adquiere una conductividad "normal".

La fórmula para determinar de forma aproximada el campo magnético crítico en función de la temperatura es:

¿Qué propiedades presentan los superconductores?

El campo magnético crítico es el resultado de otra de las propiedades que presentan los superconductores. Son capaces de apantallar un campo magnético, generando un campo magnético inverso al aplicado hasta, como se dijo anteriormente, que se alcanza el punto crítico, perdiéndose la superconductividad y con ella, sus propiedades. Esto es lo que se conoce como Efecto Meissner.

 El efecto Meissner es el responsable de que los superconductores se comporten como materiales diamagnéticos perfectos y puedan, por ejemplo, levitar imanes sobre ellos como se ve en este vídeo que ilustra esta propiedad.

Otra propiedad interesante de los superconductores (aunque también se puede producir a temperaturas superiores a la temperatura crítica) es lo que se denomina Efecto Josephson, (muy relacionado con el efecto túnel, del que hablaré en una futura entrada). El Efecto Josephson se caracteriza por la aparición de una corriente eléctrica por efecto túnel entre dos superconductores separados por una unión delgada de óxido. Esta propiedad tiene un especial interés en el desarrollo de microprocesadores.

Actualmente se está trabajando en superconductores de alta temperatura que mantienen propiedades de superconductores a temperaturas mucho más alejadas del 0K (aunque siguen siendo bajas), ya que permitiría operar con mayor facilidad y a menor precio ya que se requiere únicamente nitrógeno líquido para mantener esa temperatura de funcionamiento. Los materiales superconductores de alta temperatura son compuestos (generalmente no estequiométricos) de metales de transición como pueden ser el  BiSrCaCuO o el La1.85Ba0.15CuO4

Para acabar de introducir a los superconductores, decir que hay dos clases de superconductores: los superconductores de clase I, que son capaces de apantallar completamente el campo magnético de su interior (siempre lo intentan expulsar) y los superconductores de tipo II, que permiten que el campo magnético penetre en  ellos sin dejar de ser superconductores (se oponen a que cambie el campo magnético).

¿Para qué sirven los superconductores?

La última parte de esta entrada se dedica a las aplicaciones cotidianas de los superconductores. Posiblemente, la más interesante (desde un punto de vista distinto al de la investigación), sea la levitación magnética (como la mostrada en el vídeo). Un ejemplo de levitación magnética que nos pueda resultar más o menos familiar es la de los trenes de levitación empleados en japón (conocidos como trenes bala) y cuya ausencia de contacto con los raíles les permite alcanzar velocidades de mas de 500km/h.

También es importante la superconductividad en medicina nuclear, ya que los escáneres de resonancia magética emplean superconductores para poder generar en un ordenador imágenes del interior de un organismo de un modo no invasivo.

Superfluidos

Esta primera entrada está dirigida a un lector con un nivel de conocimientos sobre física y química elevados (aunque los lectores con un conocimiento inferior, puede leerlo también ya que es un tema muy interesante y siempre se puede aprender algo nuevo). En este post explicaré qué son, como se originan y cómo se comportan los superfluidos. Me centraré en el He como elemento para su estudio desde el punto de vista de sus dos isótopos: el ³He (muy raro, 0.00013%)  y ⁴He (el isótopo mucho más común, 99.99987%).

¿Qué es un superfluido?

El término superfluido hace referencia a un estado de la materia caracterizado por una total ausencia de viscosidad. En nuestro caso de estudio, hablaremos de la superfluidez del He.

Los superfluidos se originan por el enfriamiento de nuestro sistema por debajo del punto lambda (la temperatura del punto lambda, para nuestro sistema de estudio principal, el ⁴He, es de 2.172K a una presión de 0.0497 atm). Por debajo de esa temperatura, el He pierde toda su viscosidad, la propiedad de la ebullición y se convierte en un superfluido, mostrando las características propias del mismo.

Al no tener viscosidad, los superfluidos pueden hacer cosas que no se pueden explicar con los modelos clásicos de la física de fluidos, es necesario acudir a modelos cuánticos para su estudio.

Uno de los ejemplos más vistosos de estas propiedades, es la capacidad de los superfluidos de trepar por las paredes de los recipientes y escapar de los mismos por agujeros microscópicos. El caso más típico para observar esto es ver como, si se deja un recipiente abierto que contiene ⁴He a una temperatura inferior a la del punto lambda y sin llenar del todo, se observa que se genera una película de ⁴He por el exterior del recipiente de unos 30nm de espesor denominada película de Rolling y que gotea (se puede ver perfectamente una gota de ⁴He caer de la copa a medio llenar) hasta vaciar completamente el recipiente que contiene el ⁴He.

Influencia del espín.

Hasta ahora, siempre que he hablado de la superfluidez del He, me he referido al ⁴He. Esto es debido a que, en un principio, solo se comprobó que el ⁴He se comportaba como un superfluido por debajo de 2.17K, mientras que el ³He no lo hacía. Esto es debido a que el ⁴He es una partícula bosónica (es decir, tiene espín entero) mientras que el ³He es una partícula fermiónica (es decir, su espín es semientero)

La importancia de que el ⁴He sea una partícula bosónica a la hora de explicar el origen de los superfluidos se encuentra en que las partículas bosónicas no se comportan como las fermiónicas y no siguen el principio de excusión de Pauli (que dice que dos partículas no pueden encontrarse en un mismo estado cuántico, es decir, no pueden tener los números cuánticos iguales), por lo que el ⁴He puede formar condensados de Bose-Einstein (ya que posee muchas partículas en un mismo estado cuántico) a temperaturas muy bajas, originando los superfluidos mientras que el ³He (partícula fermiónica) forma a esas temperaturas un líquido de fermi.

Debido al carácter fermiónico del ³He, se creía que no podía formar superfluidos ya que es imposible que una partícula con espín semientero forme condensados de Bose-Einstein, pero se descubrió que si se seguía bajando la temperatura, (cerca de 1K), el ³He si que mostraba propiedades de un superfluido (cosa que no debería suceder debido a su carácter fermiónico).

¿Por qué sucede esto?

A temperaturas muy bajas, dos átomos de ³He tienen a juntarse combinando sus espines y actuando como una partícula única. Al unirse dos espines semienteros se origina uno entero, es decir, la unión de dos partículas fermiónicas originan una partícula de comportamiento bosónico, por lo que el ³He puede ahora formar condensados de Bose-Einstein y comportarse como un superfluido.

Para concluir esta entrada, adjunto un vídeo en el que se puede ver el enfriamiento del He hasta llegar al punto lambda (cese del burbujeo) y alguna de las propiedades de los superfluidos (se puede ver cómo gotea He líquido de varios recipientes sin llenar)

Presentación

Buenos días, tardes o noches (que depende cuando leáis esto).

 He decidido crear este nuevo blog con el fin de subir posts similares a los del otro blog que inicié con Iván (agujerosgusano.blogspot.com.es), pero que exijan del lector un conocimiento previo en temas de física, química y matemáticas, para poder abarcar temas más complejos o con mayor profundidad para aquellos que deseen profundizar en un tema o iniciarse en cuestiones complejas.

Como es obvio, este blog (en principio) tendrá menos actividad que el original (debido a la mayor búsqueda de información y trabajo que requerirá), pero sus entradas resultarán de un mayor interés para los lectores que tengan una formación científica previa y puedan encontrar el trabajo del otro blog demasiado básico.

Dicho esto, me despido sin más y confío en que el blog sea del agrado de todos,

Martín