La superconductividad es la propiedad de algunos materiales de tener una resistencia eléctrica estrictamente nula cuando alcanzan una temperatura por debajo de cierto valor (temperatura crítica). Se sabe que varios cientos de compuestos, elementos puros, aleaciones y cerámicas pasan al estado superconductor. La superconductividad es un fenómeno cuántico . También se caracteriza por el efecto Meissner , que consiste en el desplazamiento completo del campo magnético del volumen del superconductor. La existencia de este efecto muestra que la superconductividad no puede describirse simplemente comoconductividad ideal en el sentido clásico.
El descubrimiento en 1986-1993 de una serie de superconductores de alta temperatura (HTSC) superó el límite de temperatura de la superconductividad y permitió el uso práctico de materiales superconductores no solo en el punto de ebullición del helio líquido (4,2 K), sino también en el punto de ebullición del nitrógeno líquido (77 K), líquido criogénico mucho más económico.
La base para el descubrimiento del fenómeno de la superconductividad fue el desarrollo de tecnologías para enfriar materiales a temperaturas ultrabajas. En 1877, el ingeniero francés Louis Cayette y el físico suizo Raoul Pictet enfriaron de forma independiente el oxígeno a un estado líquido. En 1883 Zygmunt Wróblewski y Karol Olszewski realizaron la licuefacción del nitrógeno . En 1898, James Dewar también logró obtener hidrógeno líquido .
En 1893, el físico holandés Heike Kamerling-Onnes comenzó a abordar el problema de las temperaturas ultrabajas . Logró crear el mejor laboratorio criogénico del mundo, en el que recibió helio líquido el 10 de julio de 1908 . Más tarde, logró subir su temperatura a 1 Kelvin . Kamerling-Onnes utilizó helio líquido para estudiar las propiedades de los metales , en particular, para medir la dependencia de su resistencia eléctrica con la temperatura [1] . De acuerdo con las teorías clásicas entonces existentes [2] , la resistencia debería haber disminuido suavemente con la disminución de la temperatura, pero también existía la opinión de que a temperaturas demasiado bajas, los electrones prácticamente se detendrían y el metal dejaría de conducir corriente por completo. Los experimentos llevados a cabo por Kamerling-Onnes con sus asistentes Cornelis Dorsmann y Gilles Holst confirmaron inicialmente la conclusión de que la resistencia se fue desvaneciendo gradualmente. Sin embargo, el 8 de abril de 1911 descubrió inesperadamente que a 3 Kelvin (unos -270 °C), la resistencia eléctrica del mercurio es prácticamente nula. El siguiente experimento, llevado a cabo el 11 de mayo, mostró que se produce una fuerte caída en la resistencia a cero a una temperatura de aproximadamente 4,2 K (medidas posteriores más precisas mostraron que esta temperatura era de 4,15 K). Este efecto fue completamente inesperado y no podía ser explicado por las teorías entonces existentes.
En 1912 se descubrieron dos metales más que pasan al estado superconductor a bajas temperaturas: el plomo y el estaño . En enero de 1914, se demostró que la superconductividad era destruida por un fuerte campo magnético . En 1919, se descubrió que el talio y el uranio también son superconductores [3] [4] .
La resistencia cero no es el único sello distintivo de los superconductores. Una de las principales diferencias entre los superconductores y los conductores ideales es el efecto Meissner , descubierto por Walter Meissner y Robert Oksenfeld en 1933 .
La primera explicación teórica de la superconductividad fue dada en 1935 por los hermanos Fritz y Heinz London . Una teoría más general fue construida en 1950 por V. L. Ginzburg y L. D. Landau . Se ha generalizado y se conoce como la teoría de Ginzburg-Landau . Sin embargo, estas teorías eran de naturaleza fenomenológica y no revelaron los mecanismos detallados de la superconductividad. La superconductividad fue explicada por primera vez a nivel microscópico en 1957 por los físicos estadounidenses John Bardeen , Leon Cooper y John Schrieffer . El elemento central de su teoría, llamada teoría BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), son los llamados pares de electrones de Cooper .
Posteriormente se comprobó que los superconductores se dividen en dos grandes familias: los superconductores de tipo I (en concreto, el mercurio les pertenece) y los de tipo II (que suelen ser aleaciones de distintos metales). El trabajo de L. V. Shubnikov en la década de 1930 y A. A. Abrikosov en la década de 1950 jugó un papel importante en el descubrimiento de la superconductividad de tipo II .
Para aplicaciones prácticas en electroimanes de alta potencia, el descubrimiento en la década de 1950 de superconductores capaces de soportar fuertes campos magnéticos y pasar altas densidades de corriente fue de gran importancia . Entonces, en 1960, bajo la dirección de J. Künzler, se descubrió el material Nb 3 Sn, cuyo cable es capaz de transmitir una corriente con una densidad de hasta 100 kA / cm² a una temperatura de 4.2 K, estando en un campo magnético de 8,8 T.
En 1962, el físico inglés Brian Josephson descubrió (más tarde llamado así por él) el efecto de una corriente superconductora que fluye a través de una delgada capa dieléctrica que separa dos superconductores .
En 1986, Karl Müller y Georg Bednorz descubrieron un nuevo tipo de superconductores, llamados de alta temperatura [5] . A principios de 1987, se demostró que los compuestos de lantano , estroncio , cobre y oxígeno (La-Sr-Cu-O) experimentan un salto en la resistencia a casi cero a una temperatura de 36 K. A principios de marzo de 1987, se fabricó por primera vez un superconductor. obtenido a una temperatura superior a la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido (77,4 K): se comprobó que un compuesto de itrio , bario , cobre y oxígeno (Y-Ba-Cu-O) tiene esta propiedad. A partir del 1 de enero de 2006, el registro pertenece al compuesto cerámico Hg-Ba-Ca-Cu-O(F), descubierto en 2003, cuya temperatura crítica es de 138 K. Además, a una presión de 400 kbar , el mismo compuesto es un superconductor a temperaturas de hasta 166 K [6] .
En 2015, se estableció un nuevo récord de temperatura a la que se alcanza la superconductividad. Para H 2 S ( sulfuro de hidrógeno ) a una presión de 100 GPa, se registró una transición superconductora a una temperatura de 203 K (-70 °C) [7] [8] .
En 2017, se descubrió el fenómeno de la superconductividad del grafeno con un espesor de dos capas atómicas rotadas entre sí en un ángulo de 1,1 grados [9] .
En 2019, se obtuvo superconductividad para el hidruro de lantano LaH₁₀ a −23 °C (250 K) e inferior a una presión de 188 GPa. En este caso, se observó histéresis: a medida que la temperatura aumentaba por encima de 245 K, la superconductividad de LaH₁₀ desaparecía [10] [11] . Además, en el Instituto de Cristalografía. Shubnikov obtuvo superconductividad en hidruro de itrio YH₆ a temperaturas de 224K a 166 GPa y 218K a 165 GPa (hasta febrero de 2020, el trabajo no ha sido revisado). El efecto de la superconductividad en tales hidruros se debe a la estructura cristalina, en la que los átomos de hidrógeno "envuelven" a los átomos más pesados, que determinan la estructura de la red cristalina y en tal estructura no impiden la formación de un condensado de Bose-Einstein . Según los cálculos, los hidruros ternarios también son prometedores: por ejemplo, el Li₂MgH₁₆ debería tener una temperatura de transición a superconductividad de 473 K a una presión de 2,5 Mbar [11] [12] .
Hay varios criterios para clasificar los superconductores. Aquí están los principales:
Para la corriente eléctrica continua, la resistencia eléctrica de un superconductor es cero. Esto se demostró durante un experimento donde se indujo una corriente eléctrica en un superconductor cerrado, que fluyó en él sin atenuación durante 2,5 años (el experimento fue interrumpido por una huelga de trabajadores que traían líquidos criogénicos).
Estrictamente hablando, la afirmación de que la resistencia de los superconductores es cero es cierta solo para la corriente eléctrica continua . En un campo eléctrico alterno, la resistencia de un superconductor es diferente de cero y aumenta al aumentar la frecuencia del campo. Este efecto, en el lenguaje del modelo de dos fluidos de un superconductor , se explica por la presencia, junto con la fracción superconductora de electrones, de electrones ordinarios, cuyo número, sin embargo, es pequeño. Cuando se coloca un superconductor en un campo constante, este campo dentro del superconductor se desvanece, ya que de lo contrario los electrones superconductores se acelerarían hasta el infinito, lo cual es imposible. Sin embargo, en el caso de un campo alterno, el campo dentro del superconductor es distinto de cero y acelera, entre otras cosas, los electrones normales, que están asociados tanto con la resistencia eléctrica finita como con las pérdidas de calor de Joule. Este efecto es especialmente pronunciado para tales frecuencias de luz, para las cuales la energía de un cuanto es suficiente para transferir un electrón superconductor a un grupo de electrones normales. Esta frecuencia generalmente se encuentra en la región infrarroja (alrededor de 10 11 Hz), por lo tanto, en el rango visible, los superconductores prácticamente no son diferentes de los metales ordinarios [14] .
El intervalo de temperatura para la transición al estado superconductor para muestras puras no excede las milésimas de Kelvin y, por lo tanto, tiene sentido un cierto valor de Tc , la temperatura de transición al estado superconductor. Este valor se denomina temperatura de transición crítica . El ancho del intervalo de transición depende de la falta de homogeneidad del metal, principalmente de la presencia de impurezas y tensiones internas. Las temperaturas Tc actualmente conocidas varían desde 0,0005 K para el magnesio (Mg) hasta 23,2 K para el compuesto intermetálico de niobio y germanio (Nb 3 Ge, en una película) y 39 K para el diboruro de magnesio ( Mg B 2 ) para baja temperatura. superconductores ( T c por debajo de 77 K, el punto de ebullición del nitrógeno líquido), hasta aproximadamente 135 K para superconductores de alta temperatura que contienen mercurio.
En la actualidad, la fase HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d (Hg−1223) tiene la temperatura crítica más alta conocida, 135 K, y a una presión externa de 350 mil atmósferas, la temperatura de transición se eleva a 164 K, que es sólo 19 K menos que la temperatura mínima registrada en condiciones naturales en la superficie de la Tierra. Así, los superconductores en su desarrollo han pasado del mercurio metálico (4,15 K) a los superconductores de alta temperatura que contienen mercurio (164 K). En 2000, se demostró que la ligera fluoración de las cerámicas de mercurio mencionadas anteriormente permite elevar la temperatura crítica a presión ordinaria a 138 K [15] .
La transición de una sustancia al estado superconductor va acompañada de un cambio en sus propiedades térmicas. Sin embargo, este cambio depende del tipo de superconductores bajo consideración. Entonces, para los superconductores del tipo Ι, en ausencia de un campo magnético a la temperatura de transición T c , el calor de transición (absorción o liberación) se desvanece y, en consecuencia, la capacidad calorífica salta , que es característica de la fase transición del tipo ΙΙ . Tal dependencia de la temperatura de la capacidad calorífica del subsistema electrónico del superconductor indica la presencia de una brecha de energía en la distribución de electrones entre el estado fundamental del superconductor y el nivel de excitaciones elementales. Cuando la transición del estado superconductor al estado normal se lleva a cabo cambiando el campo magnético aplicado, entonces se debe absorber calor (por ejemplo, si la muestra está aislada térmicamente, su temperatura disminuye). Y esto corresponde a una transición de fase del orden Ι. Para los superconductores del tipo ΙΙ, la transición del estado superconductor al normal bajo cualquier condición será una transición de fase del tipo ΙΙ.
Una propiedad de un superconductor aún más importante que la resistencia eléctrica cero es el llamado efecto Meissner , que consiste en forzar un campo magnético constante fuera del superconductor. A partir de esta observación experimental, se llega a una conclusión sobre la existencia de corrientes no amortiguadas cerca de la superficie del superconductor, que crean un campo magnético interno opuesto al campo magnético aplicado externo y lo compensan.
Un campo magnético lo suficientemente fuerte a una temperatura determinada destruye el estado superconductor de la materia. Un campo magnético con una fuerza H c , que a una temperatura dada provoca una transición de una sustancia de un estado superconductor a un estado normal, se denomina campo crítico . A medida que disminuye la temperatura del superconductor, aumenta el valor de Hc . La dependencia de la temperatura del campo crítico se describe con buena precisión mediante la expresión
,
donde es el campo crítico a temperatura cero. La superconductividad también desaparece cuando una corriente eléctrica con una densidad mayor que la crítica pasa a través del superconductor , ya que crea un campo magnético mayor que el crítico.
La destrucción del estado superconductor bajo la acción de un campo magnético es diferente para los superconductores tipo I y tipo II. Para los superconductores de tipo II, hay 2 valores del campo crítico: H c1 , en el que el campo magnético penetra en el superconductor en forma de vórtices de Abrikosov, y H c2 , en el que desaparece la superconductividad.
En 1963, los científicos Little y Parks descubrieron que la temperatura de transición de un cilindro de pared delgada y radio pequeño al estado superconductor periódicamente (con un período igual al cuanto de flujo ) depende de la magnitud del flujo magnético . [16] Este efecto es una de las manifestaciones de la naturaleza cuántica macroscópica de la superconductividad. [17] [18]
El efecto isotópico en los superconductores es que las temperaturas Tc son inversamente proporcionales a las raíces cuadradas de las masas atómicas de los isótopos del mismo elemento superconductor . Como consecuencia, las preparaciones de monoisótopos difieren algo en temperaturas críticas de la mezcla natural y entre sí [19] .
Un superconductor giratorio genera un campo magnético que se alinea con precisión con el eje de rotación, el momento magnético resultante se denomina " momento de Londres ". Se utilizó, en particular, en el satélite científico " Gravity Probe B ", donde se midieron los campos magnéticos de cuatro giroscopios superconductores para determinar su eje de rotación. Dado que los rotores de los giroscopios eran esferas casi perfectamente lisas , usar el momento de Londres era una de las pocas formas de determinar su eje de rotación .
Un giro y al mismo tiempo aceleración, es decir, aumento de la velocidad del anillo superconductor genera un campo gravitatorio . Los experimentos relacionados con el momento gravitomagnético de Londres fueron realizados por Martin Taimar de la empresa austriaca ARC Seibersdorf Research y Clovis de Matos de la Agencia Espacial Europea (ESA) en 2006. Los experimentadores midieron por primera vez el campo gravitomagnético creado artificialmente de esta manera . Taimar y de Matos creen que este efecto explica el misterio en la diferencia entre la masa previamente medida con alta precisión de los pares de Cooper (estos son electrones que proporcionan conductividad en un superconductor) y la misma masa obtenida en el papel, según los cálculos de Quantum . teoría [20] [21] .
Los investigadores llamaron al efecto gravitacional descubierto experimentalmente el " momento gravitomagnético de Londres ", por analogía con un efecto magnético similar: la aparición de un campo magnético durante la rotación de un superconductor, llamado " momento de Londres " [22] .
El campo inducido de esta manera era 100 millones de veces más débil que el campo gravitatorio de la Tierra . Y aunque este efecto fue predicho por la Teoría General de la Relatividad , esta intensidad de campo resultó ser 20 órdenes de magnitud más fuerte que el valor calculado [22]
En química orgánica, existen moléculas poliatómicas que contienen los llamados enlaces conjugados . Se llevan a cabo por medio de electrones, que pueden moverse dentro de toda la molécula, como los electrones en los metales. Tales moléculas son pequeños superconductores. Sus propiedades de superconductividad se manifiestan en la interacción de una molécula con la luz, en el efecto Meissner, etc. [23]
El núcleo de una estrella de neutrones puede estar en un estado superconductor con una temperatura crítica K. En este caso, los pares de neutrones unidos tienen una energía de enlace de MeV [23] .
Actualmente no existe una teoría microscópica completamente satisfactoria de la superconductividad [24] .
Ya en una etapa relativamente temprana en el estudio de la superconductividad, en cualquier caso después de la creación de la teoría de Ginzburg-Landau , se hizo evidente que la superconductividad es una consecuencia de la unificación del número macroscópico de electrones de conducción en un único estado mecánico cuántico. Una característica de los electrones enlazados en tal conjunto es que no pueden intercambiar energía con la red en pequeñas porciones, menos que su energía de enlace en el conjunto. Esto significa que cuando los electrones se mueven en una red cristalina, la energía de los electrones no cambia y la sustancia se comporta como un superconductor con resistencia cero. La consideración de la mecánica cuántica muestra que en este caso no hay dispersión de ondas de electrones por vibraciones térmicas de la red o impurezas. Y esto significa la ausencia de resistencia eléctrica. Tal unión de partículas es imposible en un conjunto de fermiones. Es característico de un conjunto de bosones idénticos. El hecho de que los electrones en los superconductores se combinen en pares bosónicos se deriva de experimentos sobre la medición de la magnitud de un cuanto de flujo magnético, que se "congela" en cilindros superconductores huecos. Por lo tanto, ya a mediados del siglo XX, la tarea principal de crear la teoría de la superconductividad fue el desarrollo de un mecanismo para el emparejamiento de electrones. La primera teoría que pretendió ser una explicación microscópica de las causas de la superconductividad fue la teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer , creada por ellos en la década de 1950. Esta teoría recibió reconocimiento universal bajo el nombre de BCS y fue galardonada con el Premio Nobel en 1972 . Al crear su teoría, los autores se basaron en el efecto isotópico , es decir, la influencia de la masa de un isótopo en la temperatura crítica de un superconductor. Se creía que su existencia indica directamente la formación de un estado superconductor debido al funcionamiento del mecanismo de fonones .
La teoría BCS dejó algunas preguntas sin respuesta. Sobre esta base, resultó imposible resolver el problema principal: explicar por qué los superconductores específicos tienen una u otra temperatura crítica. Además, otros experimentos con sustituciones isotópicas mostraron que debido a la falta de armonía de las vibraciones de punto cero de los iones en los metales, existe un efecto directo de la masa del ion sobre las distancias interiónicas en la red y, por lo tanto, directamente sobre el valor de la energía de Fermi del metal. Por lo tanto, quedó claro que la existencia del efecto isotópico no es una prueba del mecanismo del fonón, como el único posible responsable del apareamiento de electrones y la aparición de la superconductividad. La insatisfacción con la teoría BCS en años posteriores condujo a intentos de crear otros modelos, como el modelo de fluctuación de espín y el modelo bipolaron. Sin embargo, aunque consideraron varios mecanismos para combinar electrones en pares, estos desarrollos tampoco condujeron a avances en la comprensión del fenómeno de la superconductividad.
El principal problema de la teoría BCS es la existencia de superconductividad a alta temperatura , que no puede ser descrita por esta teoría.
Se han logrado avances significativos en la obtención de superconductividad a alta temperatura . Sobre la base de cermets, por ejemplo, la composición de YBa 2 Cu 3 O x , se obtienen sustancias para las cuales la temperatura T c de transición al estado superconductor supera los 77 K (la temperatura de licuefacción del nitrógeno ). Desafortunadamente, casi todos los superconductores de alta temperatura no son tecnológicamente avanzados (frágiles, no tienen propiedades estables, etc.), por lo que los superconductores basados en aleaciones de niobio todavía se utilizan principalmente en tecnología.
El fenómeno de la superconductividad se utiliza para obtener campos magnéticos fuertes (por ejemplo, en ciclotrones), ya que no hay pérdidas de calor durante el paso de corrientes fuertes por el superconductor que crean campos magnéticos fuertes. Sin embargo, debido al hecho de que el campo magnético destruye el estado de superconductividad, los llamados campos magnéticos se utilizan para obtener campos magnéticos intensos. superconductores del segundo tipo, en los que es posible la coexistencia de superconductividad y campo magnético. En tales superconductores, el campo magnético provoca la aparición de finos hilos de metal normal que penetran en la muestra, cada uno de los cuales transporta un cuanto de flujo magnético ( vórtices de Abrikosov ). La sustancia entre los hilos sigue siendo superconductora. Dado que no existe un efecto Meissner completo en un superconductor de tipo II, la superconductividad existe hasta valores mucho más altos del campo magnético H c 2 . En la tecnología para la fabricación de imanes superconductores , se utilizan principalmente los siguientes superconductores:
Compuesto | T c , K | j c , A / cm 2 (T), a 4,2 K | B c , T (T, K) |
---|---|---|---|
NbTi | 9,5—10,5 | (3—8)⋅10 4 (5) | 12,5-16,5 (1,2) 12 (4,2) |
Nb 3 Sn | 18,1—18,5 | (1—8)⋅10 5 (0) | 24.5-28 (0) |
NbN | 14,5—17,8 | (2—5)⋅10 7 (18) | 25 (1,2) 8-13 (4,2) |
Hay detectores de fotones basados en superconductores. Algunos usan la presencia de una corriente crítica, también usan el efecto Josephson , la reflexión de Andreev , etc. Por lo tanto, existen detectores de fotones únicos superconductores (SSPD) [25] para detectar fotones únicos en el rango IR, que tienen una serie de ventajas frente a detectores de rango similar ( PMT , etc . ) utilizando otros métodos de registro.
Características comparativas de los detectores IR más comunes, tanto no superconductores (cuatro primeros) como superconductores (tres últimos):
Tipo de detector | Tasa máxima de conteo, s −1 | Eficiencia cuántica, % | , s − 1 [26] | NEP, W [27] |
---|---|---|---|---|
InGaAs PFD5W1KSF APS (Fujitsu) | 1⋅10 6 | ≈20 | ≈6⋅10 3 | ≈1⋅10 -17 |
R5509-43 PMT (Hamamatsu) | 9⋅10 6 | una | 1.6⋅10 4 | ≈1⋅10 -16 |
Si APD SPCM-AQR-16 (EG\&G) | 5⋅10 6 | 0.01 | ≈1⋅10 -16 | - |
Mepsicron II (Quantar) | 1⋅10 6 | 0.001 | 0.1 | - |
STJ | 5⋅10 3 | 60 | - | - |
TES | 5⋅10 3 | 90 | menos de 1⋅10 -3 | menos de 1⋅10 -19 |
SSPD | 7⋅10 7 | treinta | menos de 1⋅10 -3 | 6⋅10 -18 |
Los vórtices en los superconductores de tipo II se pueden usar como celdas de memoria. Algunos solitones magnéticos ya han encontrado aplicaciones similares . También hay solitones magnéticos bidimensionales y tridimensionales más complejos, que recuerdan a los vórtices en los líquidos, solo que el papel de las líneas de corriente en ellos lo juegan las líneas a lo largo de las cuales se alinean los imanes (dominios) elementales.
La ausencia de pérdidas de calor durante el paso de corriente continua a través de un superconductor hace atractivo el uso de cables superconductores para el suministro de electricidad, ya que un solo cable delgado subterráneo es capaz de transmitir energía, lo que en el método tradicional requiere un circuito de línea de alimentación con varios cables de mucho mayor grosor. Los problemas que impiden su uso generalizado son el costo de los cables y su mantenimiento: el nitrógeno líquido debe bombearse constantemente a través de líneas superconductoras. La primera línea de transmisión superconductora comercial fue puesta en funcionamiento por American Superconductor en Long Island , Nueva York , a finales de junio de 2008 [28] . Los sistemas eléctricos de Corea del Sur iban a crear para 2015 líneas eléctricas superconductoras con una longitud total de 3000 km [29] .
Una aplicación importante se encuentra en los dispositivos de anillos superconductores en miniatura, SQUID , cuyo funcionamiento se basa en la relación entre los cambios en el flujo magnético y el voltaje. Forman parte de magnetómetros supersensibles que miden el campo magnético terrestre , y también se utilizan en medicina para obtener magnetogramas de diversos órganos [30] .
Los superconductores también se utilizan en maglevs .
El fenómeno de la dependencia de la temperatura de transición al estado superconductor de la magnitud del campo magnético se utiliza en criotrones : resistencias controladas.
En la URSS , los turbogeneradores KGT-20 y KGT-1000 se crearon sobre la base de superconductores a principios de la década de 1980 [31] , [32] . Más tarde, se creó el primer turbogenerador criogénico del mundo con una capacidad de 20 MW en el Instituto de Ingeniería Eléctrica de Leningrado (después de completar las pruebas, se incluyó en el sistema de energía de Leningrado) [33] .
Una dirección prometedora es la creación de máquinas eléctricas superconductoras .
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