Superconductividad

En 1911, mientras estudiaba las propiedades de la materia a muy baja temperatura, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes y su equipo descubrieron que la resistencia eléctrica del mercurio llega a cero por debajo de 4,2 K (-269 ° C). Esta fue la primera observación del fenómeno de la superconductividad. La mayoría de los elementos químicos llegar a ser superconductor a temperatura suficientemente baja. Superconductores héroes a pesar de los ceros Por debajo de una cierta temperatura "crítico", los materiales se someten a la transición en el estado superconductor, caracterizado por dos propiedades básicas: en primer lugar, no ofrecen resistencia al paso de corriente eléctrica. Cuando la resistencia cae a cero, puede circular una corriente dentro del material sin disipación de energía. En segundo lugar, siempre que sean suficientemente débiles campos magnéticos externos, no penetrará el superconductor, sino que permanecen en su superficie. Este fenómeno expulsión campo se conoce como el efecto Meissner, después de que el físico que primero observó que en 1933. Tres nombres, tres letras y una teoría incompleta Física convencional no explica adecuadamente el estado superconductor y tampoco lo hace la teoría cuántica elemental de estado sólido, que trata el comportamiento de los electrones separadamente de la de los iones en la red cristalina. No fue sino hasta 1957 que tres investigadores estadounidenses - John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer - establecieron la teoría microscópica de la superconductividad. De acuerdo con su teoría "BCS", grupo electrones en pares a través de la interacción con vibraciones de la red (los llamados "fonones"), formando de esta manera "pares de Cooper" que se mueven por el interior del sólido, sin fricción. El sólido puede ser visto como un entramado de iones positivos inmersos en una nube de electrones. Como un electrón pasa a través de este enrejado, los iones se mueven ligeramente, atraídos por la carga negativa del electrón. Este movimiento genera un área eléctricamente positiva que, a su vez, atrae a otro electrón. La energía de la interacción electrón es bastante débil y los pares puede ser fácilmente disuelta por la energía térmica - es por eso que la superconductividad ocurre generalmente a muy baja temperatura. Sin embargo, la teoría BCS no ofrece ninguna explicación para la existencia de los superconductores de "alta temperatura" alrededor de 80 K (-193 ° C) y superiores, para lo cual se debe invocar otros mecanismos de acoplamiento de electrones. Tipo-I o de tipo II, diferentes estados El estado superconductor puede ser destruido por un aumento en la temperatura o en el campo magnético aplicado, que luego penetra en el material y suprime el efecto Meissner. Desde esta perspectiva, se hace una distinción entre dos tipos de superconductores. Materiales de tipo I se mantienen en el estado superconductor sólo para campos magnéticos aplicados relativamente débiles. Por encima de un umbral dado, el campo penetra bruscamente en el material, rompiendo el estado superconductor. Por el contrario, los superconductores de tipo II toleran la penetración local del campo magnético, lo que les permite conservar sus propiedades superconductoras en presencia de campos magnéticos aplicados intensos. Este comportamiento se explica por la existencia de un estado mixto donde las áreas superconductoras y no superconductores coexisten dentro del material. Superconductores de tipo II han hecho posible el uso de la superconductividad en altos campos magnéticos, lo que lleva al desarrollo, entre otras cosas, de los imanes para aceleradores de partículas.