Historia

Kamerlingh Onnes

Kamerlingh Onnes

 

La superconductividad fue descubierta por Kamerlingh Onnes y Gilles Holst en 1911. Tres años antes Kamerlingh Onnes había conseguido por primera vez la licuefacción del helio lo que le dio la posibilidad de alcanzar temperaturas cercanas al cero absoluto (-273.15 ºC = 0K). Debido a este logro recibió el Premio Nobel en 1913.

Walter Meissner

Walter Meissner

En 1933 Meissner and Ochsenfeld descubrieron que los superconductores expulsaban el campo magnético, más precisamente son perfectos diamagnetos. Estas dos propiedades, conductor perfecto y perfecto diagmagneto (o efecto Meissner), son independientes y caracterizan al estado superconductor como una nueva fase de la materia. Debido al efecto Meissner los superconductores son capaces de realizar sorprendentes muestras de levitación.

La superconductividad se descubrió en un momento en el que no existían los conocimientos necesarios de física para poder entenderla. En 1950 Feynman declara que la superconductividad es el problema teórico más importante de la época. Lo habían intentado resolver (sin éxito) Einstein, Bohr, Heisenberg, Feynman… Durante estos años pre-BCS se desarrolló toda la maquinaria de la física cuántica y de las transiciones de fase.

En 1935 los hermanos London describieron las dos propiedades básicas (resistencia cero y expulsión del campo magnético) en el marco de la electrodinámica. Lo consiguieron gracias a la enorme intuición de que el estado superconductor era una función de onda cuántica macroscópica con orden en el espacio de las velocidades (en física, espacio de momentos).

En 1950 Ginzburg y Landau describieron la superconductividad utilizando la teoría general de Landau de las transiciones de fase. Landau recibió el Premio Nobel en 1962. Es una teoría fenomenológica que describe la fase superconductora a través de una pseudofunción de onda y que sigue siendo de gran utilidad hoy en día. Más tarde se demostró que la teoría de Ginzburg y Landau se podía deducir de la teoría BCS cerca de la temperatura crítica y que la pseudofunción de onda era equivalente al centro de masas del par de Cooper.

En 1957 Bardeen, Cooper y Schrieffer resuelven el problema con su teoría BCS y en 1972 reciben el Premio Nobel. En esta teoría los electrones se aparean en pares de Cooper y forman un estado cúantico colectivo macroscópico. El mecanismo o pegamento que hace posible que los electrones se apareen proviene de las vibraciones de los átomos de la red. Una de sus predicciones más importantes fue la existencia del gap superconductor que explicaba numerosos experimentos y predecía otros.

Bardeen, Cooper y Schrieffer

Bardeen, Cooper y Schrieffer

En el mismo año que se propuso BCS Abrikosov predijo la posibilidad de que en algunos superconductores existiera un estado mixto donde el material siguiera siendo superconductor pero se permitieran pasar algunas líneas del campo magnético (no fuera un perfecto diamagneto) a través de los vórtices. Estos superconductores se denominaron de tipo II. En presencia de una corriente los vórtices pueden crear una resistencia por lo que el superconductor ya no sería tampoco un conductor perfecto. Abrikosov y Ginzburg ganaron el Premio Nobel en el año 2003.

En 1960 Giaever descubrió el efecto túnel en una unión metal-aislante-superconductor con lo que pudo medir el gap superconductor. Este descubrimiento fue clave para el desarrollo del microscopio por efecto túnel (STM por sus siglas en inglés) que es capaz de producir imágenes de superficies a nivel atómico. En 1962 Josephson descubrió que los pares de Cooper pueden pasar por efecto túnel entre dos superconductores incluso sin diferencia de potencial entre ellos dando lugar a la densidad de supercorriente. Las uniones Josephson se utilizan en los voltímetros y magnetómetros más sensibles del mundo (SQUIDS) que son la base para los magnetoencefalogramas que registran la actividad del cerebro (véase aplicaciones). Giaver y Josephson ganaron el Premio Nobel en 1973.

Aunque la teoría BCS había sido un éxito absoluto que explicaba el estado superconductor y el mecanismo de la superconductividad era esencialmente una teoría descriptiva y no podía predecir ni la temperatura crítica ni el valor del gap ni la diferencia entre unos superconductores y otros. En los años 60 Eliashberg en la Unión Soviética y Mc Millan en EEUU mejoraron la teoría BCS desarrollando modelos sobre la interacción electrón-fonón que fueron capaces de describir diferencias entre compuestos aunque requerían cálculos numéricos elaborados. Seguía sin estar claro sin embargo dónde buscar superconductores con temperatura crítica más alta.

Los años 60 y 70 fueron entonces años en los que químicos y físicos unieron sus esfuerzos para buscar materiales con temperaturas críticas mayores. Bernd Matthias hizo un estudio sistemático primero de la tabla periódica y luego de aleaciones y compuestos y encontró un superconductor de tipo II Nb3Sn con una temperatura crítica de 18.5K y un campo magnético crítico Hc2 grande. Esto permitió hacer realidad una de las aplicaciones más importantes de los superconductores que primero envisionó Karmelingh Onnes: las primeras bovinas hechas con cable superconductor que daban lugar a los campos magnéticos más potentes de la Tierra (véase aplicaciones).

En estos años se descubrió superconductividad en compuestos orgánicos y en los llamados fermiones pesados que aunque no tienen temperaturas críticas altas parece que el mecanismo de superconductividad no proviene de la interacción de los electrones con los fonones. En estos compuestos los electrones son fuertementente correlacionados y presentan fases magnéticas. Se postula que el magnetismo y la correlación entre los electrones están detrás del mecanismo de superconductividad.

El gran salto en temperatura crítica lo dieron Bednorz y Muller en 1986 cuando la mayoría de los físicos habían abandonado la idea de encontrar un superconductor de alta temperatura. Descubrieron el LaSrCuO con una temperatura crítica de 36K. Al año siguiente Paul Chu consiguió subir la temperatura crítica a 93K en YBaCuO por encima del punto de ebullición del nitrógeno. Posteriormente se han descubierto muchos compuestos con el elemento común de los planos de óxido de cobre que son superconductores de alta temperatura y se denominan “cupratos“. Actualmente la temperatura crítica más alta conseguida es 160K.

Bednorz y Muller recibieron el Premio Nobel en 1987 convirtiéndose en el Nobel más rápido de la historia. Sin embargo los cupratos resultaron difíciles de entender. Aunque el estado superconductor es también un condensado de pares de Cooper presentan fases magnéticas y extrañas propiedades en el estado normal. Hasta el día de hoy no se conoce el mecanismo de la superconductividad. Quizás los cupratos también se hayan descubierto en un momento en la que la teoría no estaba preparada como en el caso de Kamerlingh Onnes. La complejidad en entender estos compuestos radica en que tanto la interacción electrón-electrón como probablemente la interacción electrón-fonón son fuertes y no es posible con las técnicas actuales resolver exactamente un problema tan complejo.

Bednorz Mueller

Johannes Georg Bednorz y Karl Alexander Müller

Recientemente, en el 2008, se ha descubierto otra familia de superconductores basados en planos hierro, con una temperatura crítica máxima conseguida de 56K. Tampoco se conoce el mecanismo de superconductividad de estos compuestos y no se sabe si este mecanismo es similar al de los cupratos.

Dado que todavía carecemos de una teoría predictiva todos los años se descubren materiales interesantes con propiedades que no se entienden con la teoría convencional de los metales. Es por ello que la superconductividad es un campo muy vivo con una intensa actividad científica.

En la investigación que se realiza en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (ICMM-CSIC) se estudia este problema.