Cada vez que encendemos la luz, se produce una circulación de corriente por un circuito eléctrico. Desde una perspectiva microscópica, esa corriente está constituida por millones de electrones que viajan por el material (típicamente cobre) y que eventualmente transforman su energía en radiación electromagnética, o sea, en luz. Sin embargo, en el camino, los electrones van encontrando imperfecciones en el material que frenan y dificultan su paso, y generan lo que denominamos resistencia eléctrica.

La resistencia eléctrica es por lo general una propiedad indeseable (a menos que queramos construir una estufa eléctrica), ya que provoca disipación de energía en forma de calor. Por eso cualquier circuito eléctrico, por más cuidadosamente que haya sido diseñado, eventualmente se calienta y un porcentaje de la energía se pierde.

La resistencia eléctrica es una propiedad intrínseca de todos los metales conductores y varía dependiendo del tipo de material, cantidad de imperfecciones o impurezas que contenga, y de la temperatura (a mayor temperatura, mayor resistencia). Esto nos lleva a una interesante pregunta: si pudiésemos eliminar todas las impurezas y enfriar lo suficiente el material, ¿podríamos eliminar su resistencia eléctrica? Esto es de suma importancia práctica y tecnológica, dado el enorme ahorro de energía que conllevaría. Además, es precisamente una pregunta que se hacían los físicos de principios del siglo XX cuando investigaban propiedades fundamentales de la materia a bajas temperaturas.

Entre la física y la música

Esos son los dos mundos que habitan al científico Alberto Rojo. El martes 14, a las 16, brindará un coloquio con entrada libre y gratuita en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UNCUYO.

Estas investigaciones dieron origen al descubrimiento de la superconductividad, una propiedad fascinante que poseen algunos materiales que consiste en que, por debajo de una temperatura llamada “temperatura crítica” (Tc), pierden completamente toda resistencia eléctrica. No estamos hablando de que la resistencia se hace muy pequeña: es verdaderamente cero. Más allá de las importantes aplicaciones tecnológicas que tiene la superconductividad, se trata de una de las manifestaciones más impactantes y bellas de la física cuántica aplicada a la ciencia de materiales.

Materiales superconductores 

La superconductividad fue descubierta por el físico holandés Heike Kamerlingh-Onnes y su ayudante Gilles Holst, en la Universidad de Leiden, en Holanda, mientras investigaban la resistividad eléctrica del mercurio, allá por el año 1911. Gracias a sus recientemente desarrolladas técnicas de enfriamiento, Kamerlingh-Onnes había logrado licuar helio en 1908, lo que le valió el Premio Nobel de Física en 1913. Ese hecho marcó un hito en la historia de la física, ya que inauguró un área de investigación completamente nueva: la Física de Bajas Temperaturas.

Kamerlingh-Onnes y Holst observaron que el mercurio perdía súbitamente su resistencia eléctrica al llegar a la temperatura de 4,2 K (-269 C). Luego se descubrió que otros metales, como el aluminio, el plomo, el niobio y aleaciones más complejas, se comportaban de manera parecida a bajas temperaturas y se volvían conductores perfectos, por eso los denominó “superconductores”.

¿Por qué se produce la superconductividad? Esta fue una pregunta que atormentó a los físicos por varias décadas. Recién en 1957, cuando la teoría cuántica alcanzó su madurez, los físicos John Bardeen, Leon Cooper y Robert Schrieffer en la Universidad de Urbana-Champaign, EE. UU., lograron explicar teóricamente el fenómeno de la superconductividad a nivel microscópico (la hoy llamada “teoría BCS”) y por esta hazaña recibieron el Premio Nobel de Física en 1972. Hoy en día, la superconductividad y otros fenómenos asociados, tales como la superfluidez y la condensación de Bose-Einstein, son considerados como uno de los capítulos más importantes y bellos de la física del siglo XX.

Esencialmente, en un metal “normal”, los electrones viajan de manera errática y desordenada por el material. Cuando chocan contra una imperfección, indefectiblemente se frenan y pierden su energía. Dicho de otra forma, el material tiene una resistencia finita. La explicación que encontraron Bardeen, Cooper y Schrieffer es que, cuando se alcanza la temperatura crítica, se produce un cambio drástico en el comportamiento en los electrones (una “transición de fase” en la jerga de la física) y estos, a pesar de repelerse por tener la misma carga, comienzan a atraerse.

Este fenómeno inusual ocurre debido a la interacción de los electrones con los iones de la red cristalina, de manera similar a lo que ocurre si tiramos dos bolas de bowling sobre un colchón: tarde o temprano, las bolas se “pegan” porque esa es la configuración que disminuye la energía de los resortes del colchón. Volviendo a los electrones, la atracción que experimentan hace que se organicen colectivamente de a pares, y esos pares “condensan” en una única función de onda colectiva de todos los electrones. Es decir, en lugar de comportarse de manera individual y errática, los electrones en un superconductor se comportan como un único objeto cuántico, coherente e inmune a la presencia de impurezas.

La vida encuentra un camino

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Pero las sorpresas no terminan ahí. Además de no presentar ninguna resistencia eléctrica, los superconductores tienen otra propiedad aún más importante desde el punto de vista fundamental: la de expeler completamente un campo magnético. Esta propiedad, llamada "efecto Meissner-Ochsenfeld" en honor a los físicos alemanes Walter Meissner y Robert Ochsenfeld que la descubrieron en 1933, puede resumirse diciendo que un superconductor genera un campo magnético exactamente igual y opuesto al que recibe. O de manera más coloquial, a los superconductores “no les gustan” los campos magnéticos. Más abajo detallaré algunas aplicaciones interesantes y prácticas de este efecto.

Superconductores de “alta temperatura crítica”

Hasta mediados de la década del 80 se pensaba que la superconductividad era un fenómeno que sólo podía producirse a temperaturas cercanas al cero absoluto, lo que limitaba enormemente su campo de aplicación. Sin embargo, en 1986 se produjo otro hito histórico: los físicos Alex Müller y George Bednorz, trabajando para la empresa IBM en Zürich, descubrieron lo que se conoce como superconductores de alta temperatura crítica, compuestos cerámicos a base de cobre y oxígeno (cupratos) que tienen una Tc de aproximadamente 138 K (-135 C), pudiendo utilizarse técnicas de enfriamiento a base de nitrógeno líquido, comercialmente mucho más barato y accesible que el helio líquido.

Por este descubrimiento, Müller y Bednorz recibieron el premio Nobel de Física 1987 y a partir de entonces comenzó una carrera frenética por encontrar materiales superconductores con valores de Tc cada vez más altos. El objetivo obvio es encontrar un material superconductor a temperatura ambiente, lo que significaría que podríamos transportar energía eléctrica sin disipación. El récord hasta el momento lo tiene el material sulfuro de hidrógeno, H2S. En 2015 se descubrió que, en condiciones de extremas presiones (150 GPa), este compuesto se vuelve superconductor a una temperatura de 203 K (-70 C).

La búsqueda de un material superconductor a temperatura ambiente sigue abierta hoy en día y es uno de los temas más activos de investigación en la física de materiales en la mayoría de los principales centros de investigación del mundo. Quien consiga esa hazaña tendrá asegurado un nuevo Premio Nobel.

Aplicaciones

A pesar de todavía requerir enfriamiento, los superconductores han encontrado importantes aplicaciones tecnológicas. Dado que un cable hecho de un material superconductor puede transportar sin ningún tipo de disipación una cantidad de corriente mucho mayor que un cable de cobre (el récord hoy en día lo tiene el superconductor diboruro de magnesio, MgB2, con una Tc de 39 K y una densidad de corriente de 109 A/m2, es decir, unas 10 a 100 veces más alta que el cobre), los cables superconductores se utilizan cada vez que es necesario generar campos magnéticos muy altos.

Por ejemplo, en grandes aceleradores de partículas, como en el experimento del LHC en el CERN, en Suiza, donde es necesario confinar y deflectar el haz de protones con altos campos magnéticos. O también en los tomógrafos de resonancia magnética nuclear (como los que existen en la Fuesmen en Mendoza, ver Figura 3), o en espectrómetros de masa para investigación.

Por otra parte, gracias al efecto Meissner-Ochsenfeld mencionado anteriormente, los superconductores permiten la levitación magnética, lo que tiene potenciales aplicaciones en la fabricación de trenes “maglev” (en inglés, "magnetic levitation"), que pueden levitar sobre las vías y entonces disminuir drásticamente el rozamiento. Finalmente, los superconductores también podrían aplicarse en las nuevas y poderosas computadoras cuánticas, que prometen revolucionar el mundo de la computación.

De pozos y corrales cuánticos

La física e investigadora del Instituto Balseiro, Karen Hallberg, explica diversos aspectos de la mecánica cuántica.

Materiales “cuánticos”

La superconductividad ha cumplido más de cien años, pero las investigaciones en esta área continúan y al día de hoy se han encontrado muchos nuevos materiales superconductores con propiedades que aún no se entienden. En ese largo camino de más de 100 años, se han producido cinco premios Nobel en Física relacionados con la superconductividad, lo que ha tenido un profundo impacto en la física moderna. Por otro lado, la carrera por encontrar la superconductividad a temperatura ambiente sigue en pie, y gracias a las nuevas generaciones de materiales con temperaturas críticas cada vez más altas, en los próximos años tendremos más y más aplicaciones de superconductores en nuestras vidas cotidianas.

Así como ocurre con la superconductividad, y como ocurrió con la invención del láser y de los transistores a base de semiconductores, la física cuántica tendrá un rol crucial en el diseño y en la fabricación de los nuevos materiales del futuro. El ejemplo más reciente de esto es que en 2016 se otorgó el Premio Nobel a los físicos Michael Kosterlitz, Duncan Haldane y David J. Thouless por sus avances teóricos en el área de los nuevos materiales topológicos, que podrían cambiar drásticamente la electrónica y son un paso más hacia la concreción de la computación cuántica.  

Para no quedarnos fuera de esta revolución tecnológica, es necesario formar profesionales que puedan entender y operar sobre la naturaleza cuántica de la materia que nos rodea.

En la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (FCEN), perteneciente a la UNCUYO, existe la carrera de Licenciatura en Ciencias Básicas con Orientación en Física, donde los estudiantes aprenden un enfoque cuántico de la ciencia de los materiales y de la física de los sólidos. Los alumnos que egresan pueden (entre otras posibilidades) continuar una carrera en investigación ingresando a un doctorado en Física. Además, en la FCEN funciona el Instituto Interdisciplinario de Ciencias Básicas, instituto de investigación perteneciente a Conicet, donde trabajan doctores en física que investigan y colaboran científicamente con los principales institutos de física del país, como el Instituto Balseiro (perteneciente a la UNCUYO y a la CNEA), Buenos Aires, Rosario y La Plata.