Las cerámicas superconductoras

Aunque hoy en día no se conoce con certeza el mecanismo que produce la superconductividad en las cerámicas superconductoras, parece ser que, a diferencia de los superconductores clásicos, la forma concreta en que se disponen los átomos del cristal representa un papel muy importante en la aparición del fenómeno. La mayoría de estas cerámicas son conductoras por encima de su punto de transición, debido a las peculiaridades del enlace entre los átomos de cobre y oxigeno que forman el núcleo (cuprato) de su composición. Estos átomos se disponen en forma de capas alternas dentro del material, permitiendo que un cierto número de electrones puedan desplazarse entre los mismos sin resistencia alguna. Todavía no esta muy claro el porqué son superconductores estos materiales aunque la opinión más generalizada es que este fenómeno está muy relacionado con el magnetismo. En la cerámica descubierta por Bednorz y Muller se ha observado que, por encima de la temperatura crítica, exhibe un forma particular de magnetismo. Pero, por debajo de la temperatura de transición, se modifica la estructura cristalina (u ordenamiento de los átomos), destruyendo el magnetismo y el material se vuelve superconductor.

Los descubrimientos asociados a estos materiales han desbocado la carrera por la alta temperatura: el brillo del grial, el superconductor de temperatura ambiente, deslumbra los ojos de muchos. Pero los obstáculos son todavía enormes. Uno de los mas importantes apareció apenas se empezaron a estudiar las propiedades de estos materiales dentro de un campo magnético. La teoría básica del comportamiento de un superconductor respecto a un campo magnético externo fue descrita por el físico ruso Alexei A. Abrikosov en los años cincuenta. De acuerdo con esta teoría, basada en los trabajos de Ginzburg y Landau, un superconductor convencional presenta tres estados magnéticos diferentes. En el primero, llamado estado Meissner, el campo magnético es expulsado casi completamente del interior de material. Apenas penetran en el superconductor las líneas de campo del imán aparecen unas corrientes superficiales que generan un campo magnético propio que las repelen. Si continuamos aumentando la intensidad del campo magnético aplicado, el mismo consigue por fin abrirse paso a través del superconductor. Pero en una primera fase lo hace en forma de líneas de campo discretas, pequeños "agujeros" formados por material normal en medio del material superconductor. Las corrientes superficiales del estado anterior circulan alrededor de estas agujeros por los que pasan la líneas de fuerza del imán: de aquí les viene el nombre de vórtices por el que se les conoce. En un superconductor clásico los vórtices están organizados siguiendo una red triangular regular. En el tercer estado, si el campo aumenta por encima de un valor critico los núcleos de vórtices se amontonan hasta que todo el material se comporta como un metal normal y desaparece el efecto superconductor. Los problemas aparecieron cuando se descubrió que los maravillosos superconductores de alta temperatura no seguían este modelo: al aplicarles un campo de unas diez teslas (20000 veces la intensidad del campo magnético terrestre) la resistencia del material no solo no disminuía... ¡sino que en ocasiones se hacia cien veces superior a la del cobre! La razón se descubrió pronto: los vórtices en las cerámicas superconductoras no permanecen fijos en una estructura triangular rígida, sino que se funden en un estado parecido al líquido, en el que los vórtices se van desplazando caóticamente. Puesto que cada vórtice esta constituido por una corriente eléctrica que circula alrededor de un núcleo de materia normal no superconductora, al aplicar una corriente eléctrica adicional a la muestra esta se suma a la corriente que circula a un lado del vórtice y se resta a la del otro. Como resultado se produce una fuerza que actual sobre la línea de vórtice semejante a la que aparece en el ala de un avión y que se conoce como fuerza de Magnus. Si las líneas de vórtices se mueven debido a esta fuerza gastaran energía de la corriente y aparecerá una resistencia eléctrica, que es precisamente lo que intentábamos evitar. Hoy en día se trabaja intensamente para solucionar este problema. Una de las estrategias que mas éxito ha tenido ha sido la de fijar los vórtices mediante impurezas astutamente colocadas (dopaje): de esta forma consigue equipararse su comportamiento al de un superconductor clásico, al impedir el desplazamiento de los vórtices y el que este movimiento extraiga energía de la corriente suministrada.

El segundo gran obstáculo que apareció es que las cerámicas superconductoras sólo conseguían transmitir una cantidad limitada de electricidad sin ofrecer resistencia, debido a la estructura en capas del material: si las capas no se alinean perfectamente los electrones chocan contra la frontera de la región desalineada y se frenan. Este problema se ve empeorado en presencia de un campo magnético. Una estrategia exitosa en este campo ha consistido en alinear las capas de cuprato cuidadosamente, a fin de reducir al mínimo las discontinuidades. Para ello se depositan capas micrométricas de material sobre substratos bien alineados, utilizando las mismas técnicas que se emplean para la fabricación de circuitos integrados. La combinación de estas dos tecnologías ha conseguido resultados espectaculares: actualmente se manejan densidades de corriente sobre un YCBO del orden de un millón de amperios por centímetro cuadrado, que descienden a 400.000 en un campo de 9 teslas... mientras que al principio el YCBO solo permitía el paso de 10 amperios por centímetro cuadrado y perdía toda conductividad en un campo de 0,01 tesla. Estos valores de conductividad ya son comparables a los de los superconductores tradicionales.

El ultimo gran inconveniente que presentan las cerámicas superconductoras es precisamente ese: que son cerámicas. ¿Os imagináis intentando enrollar un plato hasta formar un canuto, o estirándolo en un hilo de 1 kilometro de longitud?. El YCBO y sus parientes son cerámicas, frágiles y difíciles de manufacturar en forma de cable. También se ha propuesto varias soluciones a este problema. En una de ellas, se introduce el polvo a partir del que se obtiene la cerámica en el interior de un tubo de plata, que se enrolla y prensa en cables. Después simplemente se cuece este material en una atmósfera de oxigeno para conseguir el superconductor: el resultado puede vérselas con corrientes del orden de 35000 amperios por centímetro cuadrado a la temperatura del nitrógeno liquido. La otra solución ya la hemos comentado más arriba: crear una capa de cerámica sobre un soporte flexible lo bastante gruesa como para conducir una gran cantidad de corriente y lo bastante fina como para ser doblada sin problemas. Después de todo, la resistencia aparece cuando al doblarse se producen desalineamientos en las hileras de granos superconductores: al utilizar un soporte cristalino, los granos del superconductor se orientan perfectamente en la dirección de los cristales... al tiempo que son capaces de flexionarse junto con la base sobre la que se encuentran. Gracias a esta técnica se han producido muestras de YCBO sobre circonio estabilizado capaces de transportar corrientes como las que comentábamos en el párrafo anterior.


Fuente: http://www.arrakis.es
Asignatura: C.R.F.
Ver: http://deividorozco.blogspot.com/