Superconductividad

Subir Sachdev

“Hace algunos años me hallé a mi mismo en un lugar completamente inesperado: una conferencia sobre teoría de cuerdas. Mi campo de investigación es la materia condensada, el estudio de materiales como metales y superconductores a tewmperaturas próximas al cero absoluto. Esta disciplina se halla todo lo lejos de la teoría de cuerdas como podría estarlo sin salirse de la física. La Teoría de cuerdas intenta describir la Naturaleza a energía muhco mayores a las que puedan alcanzarse en los laboratorios terrestres o, de hecho, en cualquier lugar del universo conocido. Quines a ella se dedican estudian las exóticas leyes que gobiernan los agujeros negros y postulan que el universo posee otras dimensiones espaciales, además de las tres que podemos ver. Para ellos, la Gravedad constituye la interacción dominante de la Naturaleza. Para mí, no desempaña ningún papel.”

La mecánica cuántica fue desarrollada en el siglo XX para describir el movimiento de un electrón en un átomo de hidrógeno. Más tarde, Einstein y otros señalaron que la teoría cuántica de un par de electrones no tenía funciones intuitivas que encontraron difícil de aceptar: dos separatedelectrons bien pueden tener sus estados cuánticos “enredado”, indicando que hablan el uno al otro la mecánica cuántica, incluso a pesar de que están muy separados. Hoy en día, el entrelazamiento cuántico no es visto como un sutil efecto microscópico de interés sólo para unos pocos físicos, sino como un ingrediente crucial necesaria para una comprensión completa de las muchas fases de la materia. Un cristal puede tener unos billones de billones de electrones entrelazados unos con otros, y los diferentes patrones de entrelazamiento conducir a fases que son imanes, metales, o superconductores. Voy a dar una simple discusión de estas y otras características notables de la mecánica cuántica de un trillón de trillones de electrones, y de su importancia para una variedad de materiales tecnológicamente importantes. La teoría también tiene conexiones sorprendentes e inesperados a la teoría de cuerdas: notablemente, esto se conecta el movimiento de los electrones dentro de un plano de un cristal en el laboratorio, a la teoría de los agujeros negros astrofísicos similares a los estudiados por Chandrasekhar

Si hay algo que le gusta a la ciencia es estudiar los extremos de la naturaleza, incluso a veces forzarlos un poco. Cada vez construimos telescopios para ver más lejos, naves para viajar más rápido, combustibles de mayor rendimiento, etc. Y uno de los aspectos de la naturaleza que no se escapa de está búsqueda de los límites extremos es la temperatura.

Efectivamente, porque en el año 1997 el premio Nobel de física fue a parar a tres investigadores: Steven Chu (Universidad de Standford, California), Claude Cohen (Collage de France and Ecole Normale, Paris) y william D. Phillips (National Institute of Standards an Technology, Maryland), por el desarrollo de técnicas para lograr las temperaturas más bajas jamás alcanzadas.

Esta investigación abrió la puerta a todo un nuevo campo de investigación. Gracias a ella estamos conociendo mejor la estructura más íntima de la materia, y lo que es más importante comenzando a controlarla.

Vórtices cuánticos en un condensado rotante de átomos de sodio. Pero sigamos con el Profesor Sachdev que, nos sigue contando:

“Estas diferencias entre los físicos de cuerdas y los de la materia condensada, se plasman en un abismo cultural. Los investigadores de teorías de cuerdas gozán de una excelente reputación, por lo que asistí a aquella conferencia con un temor casi reverencial a su pericia matemática. Había invertido meses en la lectura de artículos y libros sobre el tema, a menudo quedándome empantanado. Estsaba seguro de que sería rechazado como un advenedizo ignorante. Por su parte, los teóricos de cuerdas tenían dificultades con algunos de los conceptos más simples de mi campo. Llegué a verme dibujando esquemas que con anterioridad solo había empleado con mis estudiantes de doctorado primerizos.

Varios científicos encabezados por el físico de Oxford Ian Walmsley han conseguido relacionar y hacer vibrar a dos diamantes en el proceso conocido como entrelazamiento cuántico. El misterioso proceso, al que el propio Eisntein no supo darle comprensión completa, supone el mayor avance hasta la fecha y abre las puertas de la computación cuántica.

Así pues, ¿porque había asistido? Durante los últimos años, los expertos en materia condensada hemos observado que algunos materiales pueden comportarse de un modo que hasta ahora juzgábamos imposible.  Se trata de fases marcadamente cuánticas de la materia cuya estructura se caracteriza por la aparición de uno de los fenómenos más chocantes de la naturaleza: el entrelazamiento cuántico. En un célebre artículo escrito en 1935, Albert Einstein, Boris Podolski y Nathan Rosen señalaron que la teoría cuántica implicaba  la existencia de ciertas conexiones “espeluzmantes” entre partículas. Cuando aparecen, las partículas se coordinan sin que haya entre ellas una acción física directa. Einstein y sus colaboradores consideraron el caso de dos electrones, pero un metal o un superconductor contienen muchísimos más: del orden de 10²³, en una muestra de laboratorio típica. La complejidad que exhiben algunos materiales resulta sobrecogedora, y a ella he dedicado gran parte de mi carrera. Pero el problema no se reduce a lo meramente académico:

    Se trabajo con superconductores de baja y de alta temperatura. Bueno, al menos se está intentando saber más de ambos métodos. Los superconductores revisten una enorme importancia técnica, por lo que se han dedicado ingentes esfuerzos a entender sus propiedades y su potencial.

Hace unos años descubrimos que la Teoría de cuerdas nos brindaba una manera completamnete inesperada de enfocar el problema. En su camino hacia una formulación que unifique las interacciones cuánticas entre partículas y la Teoría de la Gravedad de Einstein, los físicos de cuerdas se han topado con lo que ellos denominan “dualidades”: relaciones ocultas entre áreas de la física muy apartadas entre sí. Las dualidades que nos interesan relacionan dos tipos de teorías: por un lado, las que funcionan bien cuando los fenómenos cuánticos no resultan significativos pero la gravedad es muy intensa; por otro lado, aquellas que describen efectos cuánticos fuertes en situaciones con campos gravitatorios débiles [vease “El Espacio, ¿una ilusión”, por Juan Maldacena; Investigación y Ciencia, enero 2006]. Esta equivalencia permite traducir los hallazgos hallados en un campo al otro. Gracias a ella, descubrimos que podíamos expresar nuestras preguntas sobre el entrelazamiento en términos de un problema gravitatorio para, después, servirnos de los descubrimientos que los físicos de cuerdas habían realizado sobre las matemáticas de los agujeros negros. Un ejemplo de epnsamiento refinado al máximo.

                                                                        Fases Ocultas

Para entender ese círculo de ideas debemos volver por un momento a la física del bachillerato. Según esta, las fases de la materia corresponden a los estados sólidos, líquido y gaseoso. Un sólido posee tamaño y forma fijos; un líquido toma la forma del recipiente que lo contiene;, aunque se parecen en este último aspecto a los líquidos, pueden alterar su volumen con facilidad. Aunque se trata de conceptos simples, hasta principios del siglo XX carecíamos de un entendimiento preciso de las fases de la materia. Los átomos se disponen de manera ordenada en los sólidos cristalinos, pero pueden moverse en líquidos y gases.

Sin embargo, las tres fases anteriores no bastan en absoluto para describir todos los aspectos de la materia. Un sólido no se compone solo de una red de átomos, sino también de un emjanbre de electrones. Cada átomo libera unos pocos electrones que pueden pulular por todo el cristal. Cuando conectamos una bateria a un pedazo de metal, la corriente eléctrica fluye por él.

Casi todos los metales obedecen la ley de Ohm: la intensidad de la corriente es igual al voltaje aplicado dividido por la resistencia del material. Los aislantes, como el teflón, presentan una resistencia muy elevada; en los metales, la resistencia es baja. Los superconductores destacan por poseer una resistencia inconmensurablemente pequeña. En 1911, Helke Kamerlingh Onnes descubrió el fenómeno al refrigerar mercurio sólido a 4 grtados Kelvin (269 grados Celcius bajo cero). Hoy conocemos materiales en los que la superconductividad aparece a temperaturas mucho mayores (hasta 138 grados Celcius bajo cero).

Aunque tal vez no resulte obvio, aislantes y superconductores representan fases diferentes de la materia. El enjambre de electrones que los caracteriza adquiere en cada caso propiedades distintas. Durante las dos últimas décadas, hemos descubierto que los sólidos poseen fases electrónicas adicionales. Entre ellas, una especialmente interesante que, de tan insólita, ni siquiera tiene nombre: los físicos hemos dado en llamarla “metal extraño”. Se caracteriza por una dependencia inusual entre su resistencia eléctrica y su temperatura.”

Durante décadas, los físicos han estado tratando de conciliar las dos teorías principales que describen el comportamiento físico. La primera, la teoría de Einstein de la relatividad general, utiliza la gravedad – Las fuerzas de atracción – para explicar el comportamiento de los objetos con masas grandes, tales como la caída de los árboles o los planetas en órbita. Sin embargo, a nivel atómico y subatómico, las partículas con masas despreciables se describen mejor con otra teoría: la mecánica cuántica.

Una “teoría del todo” que unificara a la relatividad general con la mecánica cuántica abarcaría todas las interacciones físicas, sin importar el tamaño del objeto. Uno de los candidatos más populares para una teoría unificada es la teoría de cuerdas, desarrollada por primera vez a finales de 1960 y principios de 1970.

La teoría de cuerdas explica que los electrones y los quarks (los bloques de construcción de las partículas más grandes) son cadenas unidimensionales oscilantes, no objetos sin dimensiones como tradicionalmente se pensaba.

Los físicos están divididos sobre si la teoría de cuerdas es una teoría viable del todo, pero muchos están de acuerdo que ofrece una nueva manera de mirar a los fenómenos físicos que han demostrado ser de otro modo difíciles de describir. En la última década, los físicos han usado la teoría de cuerdas para construir una conexión entre la gravedad y la mecánica cuántica, conocida como “Gauge / dualidad gravedad”.

Hace unos 20 años que los científicos encontraron un inexplicable vacío en la estructura electrónica de ciertos supeconductores de alta temperatura. Ahora, una nueva investigación realizada por un equipo liderado por el físico Zhi-Xun Shen podría haber descubierto las razones de este misterio: la brecha podría evidenciar la existencia de un nuevo estado de la materia. El descubrimiento podría servir para conseguir materiales que presenten superconductividad a temperatura ambiente, algo que seguramente cambiaría nuestras vidas.

Es posible que uno de los misterios más antiguos que poseen los materiales superconductores haya sido resuelto. Desde hace unos 20 años que los científicos saben que, a determinadas temperaturas, los materiales superconductores presentan un vacío inexplicable en sus estructuras electrónicas. Este fenómeno podría ser explicado por la presencia de un nuevo estado -previamente desconocido- de la materia. O al menos, esta conclusión es a la que ha llegado un equipo de científicos liderado por el físico Zhi-Xun Shen, del Instituto de Stanford para la Ciencia de los materiales y energía (SIMES), que es una empresa conjunta del Departamento de energía (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory y la Universidad de Stanford.

Zhi-Xun Shen está convencido que este trabajo proporciona la más fuerte evidencia encontrada hasta la fecha de la existencia de un nuevo estado de la materia. Además, la investigación podría brindar las claves necesarias para lograr materiales superconductores capaces de funcionar a temperatura ambiente.

                Zhi-Xun Shen

Los supeconductores no presentan resistencia al paso de la energía eléctrica, permitiendo la construcción de electroimanes extremadamente potentes, como los utilizados en trenes de levitación magnética o aceleradores de partículas como el LHC. Sin embargo, estos materiales solo mantienen sus propiedades a temperaturas muy bajas, a menudo cercanas al cero absoluto. Los detalles del trabajo de Zhi-Xun Shen fueron publicados en el número 25 de marzo de la revista Science, y en él se destaca que uno de los obstáculos más importante que impiden el desarrollo de superconductores a altas temperaturas es el hecho de que aún los que poseen esa propiedad a temperaturas bastante mayores que cero absoluto deben ser refrigerados a mitad de camino a 0 grados Kelvin antes de que funcionen. Conseguir que un material presenten superconductividad a temperatura ambiente sin necesidad de este enfriamiento previo haría posible la distribución de electricidad sin pérdidas y muchos otros adelantos que, en conjunto, cambiarían nuestras vidas.

los principios físicos de la superconductividad no se comprendieron hasta 1957, cuando los físicos estadounidenses John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer propusieron una teoría que ahora se conoce como teoría BCS por las iniciales de sus apellidos, y por la que sus autores recibieron el Premio Nobel de Física en 1972. La teoría BCS describe la superconductividad como un fenómeno cuántico, en el que los electrones de conducción se desplazan en pares, que no muestran resistencia eléctrica. Esta teoría explicaba satisfactoriamente la superconducción a altas temperaturas en los metales, pero no en los materiales cerámicos. En 1962, el físico británico Brian Josephson estudió la naturaleza cuántica de la superconductividad y predijo la existencia de oscilaciones en la corriente eléctrica que fluye a través de dos superconductores separados por una delgada capa aislante en un campo eléctrico o magnético. Este fenómeno, conocido como efecto Josephson, fue posteriormente confirmado experimentalmente.

Los científicos han usado electroimanes para generar campos magnéticos desde hace mucho tiempo. Haciendo fluir corriente eléctrica por un anillo conductor se induce campo magnético. Sustituyendo el conductor por un superconductor y enfriándolo a la temperatura necesaria, podría ser posible generar campos magnéticos mucho mas potentes debido a la falta de resistencia, y por tanto de generación de calor en el anillo. Sin embargo, esto no pudo hacerse en un principio. Cuando el campo magnético alcanzaba una determinada intensidad, el superconductor perdía sus propiedades y se comportaba como un conductor ordinario. Hasta la década de los cuarenta no se resolvieron los problemas de los campos magnéticos y solo muy recientemente se ha superado el problema de las bajas temperaturas.

John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer

Otras veces hemos explicado aquí que los Bosones no obedecen al Principio de exclusión de Pauli, por lo que todos los pares de electrones de un superconductor pueden englobarse en el estado de mínima energía, lo que da lugar a un fenómeno conocido como condensación de Bose-Eintein. Vendría a ser como verter agua en un vaso y observar que, en vez de llenarse, se forma una fina capa de hielo en el fondo que absorbe tanta agua como tenemos sin aumentar su espesor.

Si a un material de tales características le aplicamos un voltaje, veremos que este promociona los pares de electrones hacia un estado que posee una diminuta cantidad de energía adicional, con lo que se genera una corriente eléctrica. Dicho estado de energía superior se encuentra por lo demás vacío, por lo que nada impide el flujo de pares y el superconductor transmite la corriente sin oponer resistencia.

Puntos Críticos

A principio de los ochenta, el éxito de la mecánica cuántica a la hora de explicar las propiedades de los metales, aislantes, superconductores y otros materiales, como los semiconductores (la base de la electrónica moderna) generó -la engañosa- sensación de que ya no quedaban grandes descubrimientos que hacer. Esa convicción se vino abajo cuando aparecieron los superconductores de altas temperaturas.

Un ejemplo nos lo proporciona el arseniuro de hierro y bario cuando una fracción del arsénico ha sido reemplazada por fósforo.  A bajas temperaturas este material se comporta como un superconductor. Se cree que obedece a una teoría similar a la propuesta por BCS, pero en la que los pares de electrones no se crean por las vibraciones de la red cristalina, sino por efectos debidos a la física del espín.

Seguir ahondando en este tema de la superconductividad, nos llevaría muy lejos hasta comprobar, que no conocemos esencialmente lo que la materia es y, lo que de ella podemos espewrar en circunstancias especiales. Nada es lo que parece a primera vista y, cuando conozcamos bien ese mundo extraño y misterioso que llamamos mecánica cuántica… ¿Qué podremos encontrar? Seguramente, allí estarán esos fantásticos y maravillosos “mundos” largamente buscados por los físicos y en los que, ¡Oh! ¡sorpresa! aparecerán las predicciones de la Teoría de cuerdas a la que no podemos llegar por no disponer de la energía necesaria.

El trabajo tiene varias fuentes pero, de manera muy especial, señaló aquí la Revista Investigación y ciencia en su artículo sobre el reportaje de  Subir Sachdev que, entre otros datos recogidos al azar, conforman el presente trabajo que, de mi parte, contiene sólo algunos apuntes que tratan de conexionar el conjunto.

Publica: emilio silvera

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