Los Superconductores
de alta temperatura
Desde que la superconductividad fue descubierta en 1911 y hasta 1986 no
había conseguido encontrar Tc elevadas (la mayor era de 23ºK), lo que
exigía los materiales fueran enfriados a la temperatura del helio liquido
(4,2ºK), lo cual era muy
caro y necesitaba de una tecnología muy sotisficada.
Pero en 1986 se descubre un compuesto a base de óxidos de Cobre, Lantano
y Bario (ÇBaLaCuO) que se vuelve superconductor a 35ºK. Esto provoco una
fiebre de estudios en tres direcciones preferentemente. La primera fue la
búsqueda de nuevos compuestos a fin de obtener una Tc cada vez mas
elevada. En 1987 se supera la temperatura del Nitrógeno liquido (77ºK)
con un compuesto a base de Itrio, Bario y Cobre que sigue siendo el mas
estudiado (YBa2Cu3O7). Fue un paso importante
porque ya se comienza a pensar en sus aplicaciones a gran escala, ya que
el Nitrógeno liquido es diez veces mas barato que el Helio liquido.
La segunda dirección es la mejora de los métodos para sintetizar estos
materiales.
La tercera es la comprensión de sus propiedades físicas (eléctricas,
magnéticas y ópticas).
Este estudio se realiza para dos fases:
Fase normal (por encima de la temperatura critica), en la que se intenta saber si
estos nuevos óxidos metálicos pueden clasificarse como metales
tradicionales.
Fase superconductora (por debajo de Tc), en la que se intenta determinar si las propiedades
de estos nuevos compuestos pueden ser o no descritos por la teoría clásica
BCS.
La síntesis de estos materiales y su estudio sigue siendo un campo
importante de investigaciones.
Las observaciones de planos atómicos sucesivos en microscopia electrónica
han relevado a menudo, la existencia de nuevas fases y se especula con la
posibilidad de sintetizarlos. También se correlaciona cada vez mejor los
defectos en sentido amplio (diferencias estiquiometricas, impurezas) con
el desorden y las propiedades de los distintos compuestos.
Las estructuras cristalograficas de estas familias de óxidos de Cobre
han resultado ser bastante próximas y se caracterizan por la presencia de
planos Cobre-Oxígeno llamados planos CuO2.
Debemos hacer constar que También se han sintetizado óxidos de
estructuras cubicas sin Cobre o compuestos a base de carbono, cuya
estructura tridimensional y composición química no se asemejan a las de
los óxidos a base de cobre, es decir, hay varias clases de
superconductores de alta temperatura critica.
Los nuevos compuestos mas prometedores vienen en forma de películas
delgadas, debido a que en los cristales usuales se pueden observar
numerosos defectos de todo tipo y a todas las escalas susceptibles de
influir fuertemente en las propiedades físicas y en cambio en las capas
delgadas se pueden aislar un defecto especifico, estudiarlo e incluso
sacarle provecho.
Es También en las capas débiles donde hoy se registran las mayores
densidades de corriente (intensidad por cm2 de sección).
Pero las fuertes densidades de corriente son un requisito indispensable
para las aplicaciones que necesitan corrientes importantes o campos magnéticos
intensos.
Hay un limite absoluto para la densidad de corriente que puede recorrer
un superconductor sin disipación de energía. Según la teoría BCS,
esta limitación viene dada por la energía cinética que adquieren
los pares de Cooper, cuando esta energía supera la de desacoplamiento,
destruye los pares y con ellos la superconductividad y restaura el efecto
Joule.
TAMBIÉN hay otras causas, como impurezas o defectos cristalinos, que
hacen que la densidad de corriente critica medida sea inferior al limite
teórico, estimado en 1010 A/cm2.
Pero es muy frecuente que la corriente critica medida disminuya en
presencia de un campo magnético, por razones que tienen que ver con la
naturaleza de los defectos, que limitan su valor y con la aparición en un
campo magnético de nuevas fuentes de disipación todavía mal conocidas.
Las prestaciones son apreciadas entre los superconductores de alta y baja
temperatura. Sin embargo, subsiste el problema de desarrollar nuevos
compuestos en forma de hilos reutilizables.
Los físicos tratan de comprender mejor las propiedades de estos
compuestos, que son muchos mas complejas que las de los elementos
superconductores a baja temperatura.
Para el estudio en la fase normal, se concibió el nivel de Fermi, este
nivel aparece por el principio de exclusión de Pauli, que prohibe que dos
electrones se encuentren en el mismo estado; ello obliga a ocupar niveles
de energía cada vez mayor, hasta uno de energía máxima, denominado
nivel de Fermi. La detección del nivel de Fermi en fase normal de los óxidos
superconductores se realiza mediante el efecto fotoeléctrico o
fotoemision, es decir, la emisión de electrones arrancados al metal
cuando este es irradiado por una onda electromagnética de alta energía.
La medida de la energía electrónico de que ocupan inicialmente en el
compuesto.
Pero este método no es muy fiable o muy complicado, porque es un método
muy sensible a cualquier deterioro fisicoquímico de la superficie del
material.
Los resultados actuales, en el estado normal, ascienden en establecer la
existencia de una energía máxima para los fotoelectrones lo cual es
compatible con la existencia con un nivel de Fermi. Los experimentos ópticos
en el infrarrojo ayudan. Si el metal es conductor perfecto, toda la luz se
refleja a causa de la completa libertad de movimiento de los electrones,
coas que no ocurre en un metal ordinario. Es decir, hay una relación
directa entre la conductividad de un metal y su capacidad de reflejar la
luz.
Para comprender la fase normal, se siguen dos caminos:
El primero es mejorar la descripción en términos de líquidos de Fermi
o habrá que renunciar totalmente a ella.
Este ultimo punto de vista es el que ha adoptado hace ya varios años el
teórico P.W. Anderson, de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos.
SEGÚN él, contrariamente al caso del liquido de Fermi, en el que los
electrones son portadores de una carga eléctrica y de un "espin"
(momento cinético intrínseco), estas dos magnitudes están disociadas en
el estado normal de los nuevos compuestos. El trasporte de carga correría
a cargo de los "holones" (partículas sin carga pero con espin)
transportarían el espin. Por ahora este modelo tiene una sola dimensión
espacial. Se supone que estos conceptos son extensibles a la geometría
bidimensional de los planos Cobre-Oxígeno de los óxidos superconductores.
La caracterización de la fase superconductora ha progresado en gran
parte gracias a la mejora de la calidad de las muestras. En lo tocante, a
estudios fundamentales, el mejor terreno, pese a su reducido tamaño, es
el de los monocristales, pues se puede acceder a todas las orientaciones
cristalograficas y estudiar como las propiedades del compuesto dependen de
la dirección espacial considerada. Uno de los progresos mas recientes ha
consistido en hacer crecer monocristales carentes de ciertos defectos
inherentes a la estructura metálica de dichos materiales.
Los resultados mas notables de reflectividad en fase superconductora se
obtuvieron en 1990 con un cristal desprovisto de defectos. El equipo IBM
observo en el infrarrojo lejano un coeficiente de reflexión estrictamente
igual a la unidad característico de un conductor perfecto, pero únicamente
en la dirección X.
A partir de una cierta frecuencia, la reflecitividad deja de ser total.
Es importante poder localizar dicha frecuencia, pues de ella se deduce el
valor de la banda prohibida, que corresponde a la energía necesaria para
romper un par de Cooper. Pero una predicción fundamental de la teoría
BCS es que la banda prohibida expresada en Kelvin, es igual a 3,5 veces la
temperatura critica. El valor 3,5 es importante porque esta ligado a la
intensidad de reacción de los electrones, una interacción que esta en el
origen de los pares de Cooper, 3,5 significa un acoplamiento débil entre
la red cristalina y los pares de electrones.
La medida del equipo IBM sitúa la banda prohibida cerca de 700ºK, valor
muy superior a la temperatura critica de 90ºK. El factor de 3,5 queda
pues ampliamente rebasado. Las medidas por efecto fotoeléctrico por
debajo de Tc confirma la presencia de un umbral de energía, aquí También
dos veces mayor que el valor previsto por la teoría BCS.
Actualmente se dispone de muchos experimentos que concuerdan en asignar
al cociente entre la banda prohibida y la temperatura critica un valor muy
superior al que prevé la teoría BCS para un acoplamiento débil. Estos
resultados sugieren que la teoría clásica a de tener en cuenta un
acoplamiento fuerte, tal vez con los fonones, es decir, con las
vibraciones de la red cristalina. Pero se consideran También otras
interacciones, por ejemplo con las fluctuaciones colectivas de los
momentos magnéticos de los iones de Cobre.
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