Según su comportamiento ante la corriente eléctrica, históricamente los materiales se dividieron en dos grandes grupos, aislantes y conductores. En los primeros, aunque se les someta a una diferencia de potencial eléctrico, no muestran una corriente atravesándolos o es muy débil.Sin embargo en los conductores, en cuanto se les aplica ese voltaje, aparece una corriente apreciable en su interior.

Con el estudio progresivo de las propiedades eléctricas de la materia a mediados del siglo XIX, en primera instancia Faraday y después otros muchos descubrieron elementos y después varios compuestos que en unas condiciones eran aislantes y en otras conductores (un tercer grupo de materiales). Son los llamados semiconductores, que tanto nos han hecho avanzar en la electrónica. La división de los tipos de materiales según su comportamiento ante la corriente eléctrica se terminó en 1911 con Kamerlingh Onnes, descubridor del primer superconductor.

Heike Kamerlingh Onnes

Pero… ¿Qué es un superconductor?. Vayamos por partes. Primero una corriente eléctrica está formada por partículas cargadas que se mueven dentro del material, pueden ser electrones o iones. Es necesario conocer tres magnitudes muy importantes, voltaje o diferencia de potencial, Intensidad de corriente y resistencia eléctrica. El voltaje es como un desequilibrio de cargas eléctricas entre dos partes del material y es la causa de la aparición de la corriente, se mide en voltios. La segunda magnitud es la intensidad. Si tomamos una superficie perpendicular al desplazamiento de la carga, la intensidad sería el numero de cargas que atraviesa por unidad de tiempo y de área dicha superficie, se mide en amperios. Finalmente la resistencia es la oposición que presenta el material a ser “atravesado” o a que se muevan en su interior dichas cargas que forman la corriente. Se mide en Ohmios.

Este último parámetro es el esencial para entender qué es la conductividad y los valores extremos, la superconductividad. La ley esencial que rige el fenómeno de la corriente es la ley de Ohm

V = R x I

Todo material tiene una resistencia eléctrica propia, que es una constante de proporcionalidad entre la intensidad que circula por el material y el voltaje que provoca. Esa resistencia provoca una pérdida de energía cinética de las partículas que causan la corriente (usualmente electrones, aunque también pueden ser protones o partículas aún más grandes, como iones) esa pérdida de energía se transforma en calor (el material se calienta). Esa energía se convierte en degenerada y por tanto no reutilizable, lo que supone una pérdida de energía a efectos prácticos.

Anteriormente al descubrimiento de la superconductividad, se sabía que la resistencia se puede hacer cada vez más pequeña bajando la temperatura. Por muy baja que fuera esa temperatura, la resistencia era distinta de cero. Sin embargo Kamerling Onnes descubrió que en algunos materiales, al llegar a cierta temperatura, la resistencia caía rápidamente a cero y si se mantenía esta temperatura, seguía transmitiendo la corriente con resistencia nula.

La base teórica del fenómeno de la superconductividad no se explicó satisfactoriamente hasta 1957, cuando John Bardeen, Leon Copper y Robert Schrieffer formularon la llamada teoría BCS, en la cual se da una explicación de origen cuántico al fenómeno de la superconductividad.

De izquierda a derecha John Bardeen Robert Schrieffer y Leon Cooper

La teoría parte de que los electrones que transportan la carga dentro del conductor mediante su movimiento, perturban la posiciones de los iones positivos, que están más o menos fijos en sus posiciones en la red cristalina. Al ser éstos mucho más masivos que los electrones, tienen más inercia que los electrones. Ocurre que detrás de un electrón en su dirección de movimiento se crea un mayor densidad de carga positiva y esta carga excedente positiva crea una fuerza de atracción para el siguiente electrón que pase por allí.

Esta fuerza atractiva puede ser mayor que la repulsiva entre electrones que tienen la misma carga y este electrón se puede acoplar con bastante estabilidad con el primero, formando una pareja. Éstos son los llamados pares de Cooper. Cuánticamente los electrones son fermiones, con espín semientero, pero el par de cooper formado por dos electrones tendría espín entero y su comportamiento cuántico obedecería a la de un bosón.

Si varios o muchos pares de Cooper pretenden estar en el mismo estado de energía, ya no habría impedimento por su espín y se formaría un condensado de Bose, ordenándose este movimiento en el mismo estado sin choques ni rozamiento ni fuerzas, haciendo su resistencia nula y llegando al comportamiento de un superconductor.

Esta teoría también explica otro fenómeno asociado a la superconductividad, que es el efecto Meisner, por el cual un superconductor expulsa las líneas de campo magnético de su interior, concentrándose en su alrededor. Esto provoca que se si se aplica un campo magnético intenso en un superconductor este pasa todo alrededor de el. Este fenómeno lo hemos utilizado para la levitación magnética.

Desde un punto de vista práctico sería un gran avance construir superconductores para componentes eléctricos y electrónicos, por su nula perdida de energía de una corriente que pase por su interior y por su capacidad de ofrecer levitación magnética, pero el gran escollo es la temperatura. La temperatura crítica es muy baja (cercana al cero absoluto). Por ello hay una lucha desde hace muchos años en conseguir que se manifieste la superconductividad a temperatura cada vez más altas. El récord está a solo 23 grados bojo cero, pero a muy alta presión (90 gigapascales), sin presión adicional el récord está a 90 grados bajo cero.

¿Hay superconductores naturales en el universo?. Pues sí, como la presión es un factor importante para conseguir este fenómeno habrá que buscarlo en los objetos más densos que existen. Estos son las estrellas de neutrones. Se ha descubierto que envolviendo al núcleo de la estrella de neutrones donde los protones todavía no se han fotodesintegrado en neutrones, quedan un a capa de ellos a muy alta presión. Hay indicios de que estos protones están en estado de superconducción, porque habría fenómenos de conducción de campos magnéticos y emisión de energía que se explicarían si esta capa exterior de las estrellas de neutrones fuera superconductora.

 

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