Cuando Heike Kamerlingh Onnes (premio Nobel de física 1913) descubrió la superconductividad en 1911 al estudiar el transporte de corriente eléctrica en mercurio a bajas temperaturas, la mecánica cuántica estaba en sus albores y la relación entre ambas ni siquiera se vislumbraba. Tuvieron que pasar décadas hasta que esta relación se hiciera patente y se desarrollara la teoría que permitió entender, al menos en algunos casos, el mecanismo de la superconductividad. Sin embargo, los materiales superconductores son todavía un enigma sin resolver por completo.
Solo a bajas temperaturas
¿Qué son? Son materiales que tienen dos propiedades: su resistencia al paso de la corriente eléctrica se anula (y no se pierde energía en forma de calor en el transporte de electricidad) y expulsan los campos magnéticos (son materiales diamagnéticos perfectos). Esta segunda característica distingue un superconductor de un conductor perfecto. La expulsión de los campos magnéticos (llamada efecto Meissner) da lugar a que un imán levite encima de un superconductor (o viceversa).
La superconductividad, siempre que estemos a presión ambiente, solo ocurre a bajas temperaturas (menores que las mínimas temperaturas que se alcanzan en la Tierra) y por debajo de una determinada temperatura crítica Tc, característica de cada material. Por encima de su temperatura crítica superconductora, estos materiales conducen la electricidad pero presentan resistencia al paso de la corriente. Al bajar la temperatura, justo a Tc, hay un cambio de fase de un estado no superconductor a un estado superconductor. El primer superconductor descubierto, el mercurio, tiene una Tc de -269 ºC, ¡cerca del cero absoluto (en -273,15 ºC)! Para poder llegar a esta temperatura tan baja se necesitó licuar el helio, una hazaña en sí misma que, desde entonces, nos ha permitido estudiar la materia cuántica minimizando la contribución de las fluctuaciones térmicas. Poco después se descubrieron materiales con Tc algo mayores, pero, durante décadas, no se subió más allá de unos -250 ºC. En 1986, el panorama cambió drásticamente con el descubrimiento de superconductividad en unos óxidos de cobre cerámicos (cupratos). En pocos años se consiguió una Tc de hasta unos -150 ºC. Aunque esta temperatura todavía parece baja, está por encima de la temperatura de licuefacción del nitrógeno (-196 ºC), mucho más fácil de obtener que el helio ya que es el principal componente del aire. A estos cupratos se les conoce como superconductores de alta temperatura. Desde 2015, se han sintetizado materiales con temperaturas críticas cercanas a la temperatura ambiente (compuestos de hidrógeno a altísimas presiones) cuyas propiedades están aún en discusión.
Mecanismo de la superconductividad
¿Qué pasa en estos materiales para que su comportamiento cambie con la temperatura al pasar por la Tc? Para entenderlo pensemos en otra transición de fase: la de sólido a líquido. Para el agua lo tenemos claro: por debajo de 0 ºC está en estado sólido, mientras que por encima (y hasta 100 ºC) está en estado líquido. Sin embargo, en los superconductores el cambio no es tan visible porque afecta a los electrones que conducen la electricidad, no a la posición y movimiento relativo entre los átomos que conforman el material, como en el caso del paso de sólido a líquido.
Los electrones forman parte de los átomos que, a su vez, forman los materiales. En un metal que conduce la electricidad, los electrones más alejados del núcleo (los de valencia) pueden moverse por el material (dejando los átomos del material como iones de carga positiva). Si aplicamos una diferencia de potencial, un voltaje, como cuando ponemos una pila a un dispositivo o lo enchufamos a la red eléctrica, los electrones se mueven y encienden bombillas, mueven motores o activan los transistores de las videoconsolas. Los electrones son fermiones y tienen que cumplir el principio de exclusión de Pauli: dos fermiones no pueden estar en el mismo estado cuántico. En particular, un electrón no puede ocupar el mismo espacio que otro electrón ni puede tener la misma energía (a no ser que tengan espines contrarios). Esto es lo que hace que los electrones (con carga negativa) en un átomo estén en orbitales con diferentes formas espaciales y energías y que no se amontonen todos alrededor del núcleo (con carga positiva).
Por esta misma razón, los electrones que se mueven en un metal se ven afectados cuando chocan con otros electrones y los iones del material y van perdiendo energía en el proceso. Esta pérdida de energía hace que los aparatos eléctricos se calienten y que el transporte de electricidad desde donde se produce hasta donde se consume sea un proceso muy ineficiente. En esta situación, nos podemos imaginar a los electrones como pelotas que van chocando entre ellas y con obstáculos en su camino disminuyendo así su velocidad, por lo que hay que darles energía constantemente para que recorran todo su camino (¡así se nos gastan las pilas!).
Cuando un material superconductor baja su temperatura por debajo de su Tc, los electrones se comportan de forma diferente. La repulsión a la que estaban sometidos se torna en una atracción entre pares: los electrones forman los llamados pares de Cooper. Estos pares ya no se comportan como fermiones, sino como bosones. Los bosones no cumplen el principio de exclusión de Pauli y pueden estar todos en el mismo estado cuántico.
Para tener una imagen mental de lo que ocurre, pensemos en los electrones como ondas (ya que son objetos cuánticos). Los pares de Cooper son ondas en las que ya no podemos distinguir los dos electrones que los forman por separado. Todos los pares tienen la misma energía (al ser bosones, nada lo impide) y todos ellos se podrán unir para formar una única onda macroscópica (es decir, que involucre a todos los electrones de conducción del material): se produce una condensación de los pares de Cooper similar al condensado de Bose-Einstein. Esta onda macroscópica fluye por el material, no se altera por la presencia de iones ni defectos y conduce la electricidad sin pérdida de energía. La superconductividad es, por tanto, consecuencia del comportamiento colectivo de los electrones dentro de un medio con el que interacciona. Es un ejemplo de lo que se denomina fenómeno emergente, que no se puede entender de forma trivial como la suma del comportamiento de electrones independientes.
¿Cuál es el mecanismo de la superconductividad?
Pero ¿qué es lo que hace que los electrones se atraigan en pares? ¿Cuál es el pegamento que los une y supera a la repulsión coulombiana? En otras palabras, ¿cuál es el mecanismo de la superconductividad? John Bardeen, Robert Schrieffer y Leon Cooper propusieron su teoría BCS in 1957 (premio Nobel de Física 1972). Por un lado, se dieron cuenta de que los electrones en un metal (que forman lo que se denomina un gas de Fermi) podían dar lugar a parejas siempre que hubiera una interacción atractiva, por muy pequeña que fuera. Por otro lado, observaron que los iones positivos del material podían mediar una interacción atractiva entre los electrones. La idea intuitiva es que los iones positivos se sienten atraídos por un electrón que se mueve por el metal, creando un camino con exceso de carga positiva que, a su vez, atraerá a otro electrón. De esta forma, los dos electrones sincronizan sus movimientos. Este proceso de atracción efectiva entre electrones mediada por el movimiento de los iones (interacción electrón-fonón) puede ocurrir porque los iones se mueven mucho más despacio que los electrones.
En otros contextos, la condensación de bosones se manifiesta en el fenómeno de la superfluidez, muy relacionado con la superconductividad. Un superfluido, como el helio-4 líquido, no tiene viscosidad, por lo que fluye sin resistencia. Los átomos del helio-4 (el isótopo de He más común) son bosones y condensan por debajo de -270,97 ºC. Los átomos de helio-3 son fermiones, como los electrones, por lo que también tienen que formar pares antes de condensar. Su temperatura de condensación es de 0.0025 K. El descubrimiento de superfluidez en el helio-3 fue galardonado con el Premio Nobel de física en 1996.
Superconductores de hierro y de multicapas de grafeno
La teoría BCS y sus consecuencias encajan con las evidencias experimentales de muchos superconductores, en particular, con aquellos que se descubrieron a principios del siglo xx (mercurio, aluminio, aleaciones de niobio...). El descubrimiento de los superconductores de alta temperatura en 1986 (Bednorz y Muller, Premio Nobel de Física 1987) revolucionó el campo: las interacciones entre los electrones y los iones del material no cumplían las condiciones para que la teoría BCS se pudiera aplicar (por eso los llamamos superconductores no convencionales), pero aun así se formaban pares de Cooper y se conseguía una superconductividad que sobrevivía hasta temperaturas mucho más altas que los superconductores conocidos hasta la fecha. Aún no hay acuerdo unánime en la comunidad científica sobre el mecanismo de la superconductividad de estos materiales, en los que las interacciones entre los electrones son especialmente fuertes, aunque hay indicaciones de que podría ser consecuencia de las interacciones magnéticas. Otros superconductores que se han descubierto más recientemente (en particular, las familias de superconductores de hierro en 2008 y la de multicapas de grafeno en 2018) se parecen a los cupratos en algunos aspectos y son también aún enigmas sin resolver.
Estudiar las preguntas que aún plantean los superconductores nos permitirá entender mejor las complejas interacciones que aparecen en la materia condensada y nos podría indicar el camino para encontrar superconductores con temperaturas críticas más altas y más versátiles y baratos para diseñar aplicaciones.
Este artículo se publicó en el número de coleccionista de Muy Interesante nº. 25, Mundo cuántico.
