Superfluidos y superconductores: la física de la materia fría.

Gerardo Martínez Avilés

El laboratorio de Onnes fue uno de los primeros laboratorios modernos de criogenia en el mundo y en éste, el científico tuvo la oportunidad de ser el primero en observar a la materia comportarse de manera realmente extraña. En 1911, al usar el helio líquido como refrigerante y estudiar las propiedades conductivas de los metales a bajas temperaturas, Onnes descubrió la superconductividad.

Los metales son buenos conductores del calor y la electricidad. Esto se debe a que las propiedades atómicas de los metales permiten que los electrones se muevan por ellos con relativa facilidad. Cada metal ofrece una distinta respuesta al flujo de electrones; a la medida de la oposición de un material a conducir la electricidad se le conoce como resistencia.

Usando su recién logrado helio líquido como refrigerante, Onnes descendió la temperatura del mercurio hasta alcanzar los 4.2 Kelvin (- 269°C) y notó que el elemento perdía toda su resistencia y permitía el libre flujo de los electrones. Con el tiempo se fue descubriendo que varios materiales conductores perdían su resistencia al alcanzar bajas temperaturas.

Aunque el fenómeno de la superconductividad fue observado apenas comenzado el siglo XX, no fue sino hasta 1957 cuando los científicos John Bardeen, Leon Cooper y Robert Screifer propusieron un modelo del funcionamiento de los superconductores. La resistencia eléctrica se debe a que los electrones (aquellos no ligados fuertemente al núcleo de los átomos del material), en su paso por un material, van chocando con irregularidades que encuentran en su camino, dado que los átomos que forman a los conductores no se encuentran perfectamente ordenados. Esto hace que dichos electrones pierdan energía cinética (o energía asociada a su velocidad) que se transforma en energía en forma de calor que pasa a los átomos del conductor. Es por eso que todos los conductores se calientan al conducir electricidad. Ahora bien, cuando un electrón se mueve en un superconductor su carga negativa distorsiona la geometría de las partículas cargadas positivamente, lo cual a su vez, genera una especie de estela de carga positiva. Este excedente de carga positiva en esa región del material, atrae a un segundo electrón. A dicho par de electrones se le conoce como un par de Cooper.

De esta manera, los átomos del material se acoplan con el movimiento de los electrones que se mueven dentro de él. El arreglo de átomos del superconductor comienza a manifestar oscilaciones periódicas que están coordinadas con el movimiento de los electrones. Y en este movimiento coordinado no hay choques donde los electrones pierdan su energía. Por supuesto, para que existan los pares de Cooper, los materiales deben alcanzar una temperatura muy baja conocida como temperatura crítica, la cual depende del conductor. Ahora bien, en los últimos años se ha descubierto que no solamente algunos metales, sino también materiales como el llamado diborido de magnesio (MgB2) pueden ser superconductores.

Lo más impresionante de estos “súper” materiales es que fenómenos cuánticos pueden ser observados no a niveles microscópicos, por ejemplo, pastillas superconductoras que literalmente hacen levitar imanes debido a una propiedad de los superconductores conocido como efecto Meissner: el campo magnético se anula completamente en el interior del material superconductor y las líneas de campo magnético son expulsadas hacia al exterior del material, por lo que este se comporta como un perfecto material diamagnético (que es repelido por los imanes).