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Insolitos, Un mundo Super (entrada teórica y charla)

A finales del siglo XIX el mundo de las bajas temperaturas era todo un misterio. Se sabía que existía una temperatura mínima pero se desconocía cómo se comportaban las leyes de la física cerca de ese límite. El físico, matemático e inventor francés Jacques Alexandre César Charles fuesese quien primero llegó a este valor mínimo a dividir de la ley de los gases ideales que relacionaba el volumen con la temperatura manteniendo constante la presión. Esta ley fuesese publicada primero por Gay Lussac en 1803, pero hacía referencia al esfuerzo no publicado de Charles, de 1787. La relación ya había sido anticipada anteriormente en los esfuerzos de Guillaume Amontons en 1702. Charles descubrió que cualquier gas a 0ºC se contrae 1/273 de su volumen por cada grado que desciende su temperatura. De aquí dedujo que si se tomaban  273 litros de un gas a 0ºC y se enfriaban, por cada grado que descendiese la temperatura su volumen sería un litro menor, hasta que a los 273 ºC debajo cero, el gas desaparecería. Dicho razonamiento no era adecuado y, hacia el 1860, William Thomson, primer Lord Kelvin, se sirvió de la creencia atómica (creencia cinética) para argumentar una explicación. Según esta creencia los gases están compuestos por chiquitas moléculas en movimiento, cuya energía cinética media está relacionada con la temperatura del gas. Kelvin, por tanto, sugirió que era la energía cinética de las moléculas la que disminuía en una proporción 1/273 por cada grado de enfriamiento y llegó a la conclusión de que a 273 grados dedebajo cero, las moléculas del gas quedarían inmóviles. Esta temperatura está establecida hoy en 273,15 grados centígrados dedebajo cero y, en honor a Kelvin, se creó una nueva escala de temperaturas que inicia a contar a dividir de ese punto: el cero absoluto. William Thomson La investigación de los fenómenos que tenían espacio a bajas temperaturas era muy dificultosa por los procesos de enfriamiento que se requerían. Uno de los senderos que se estaba explorando era la licuefacción de los gases. Mediante este proceso se alcanzaban dos objetivos: el estudio de las leyes de los propios gases a esas temperaturas y la obtención de una dispositivo eficaz para considerar los fenómenos que experimentaban los otros materiales. Un gas licuado sería un buen baño térmico para disminuir la temperatura de cualquier material que se introdujese en su interior. La carrera por la licuefacción de los distintos gases estaba servida. En 1845, Michael Faraday pudo perfeccionar una técnica para realizarlo que había encontrado 23 años antes de manera accidental. Pero algunos gases como el hidrógeno, el oxígerno, el nitrógeno o el metano, se le resisitieron. En el 1877, el físico francés Luis Cailletet y el científico suizo Raoul Pictet consiguieron, por separado, licuar el oxígeno y el nitrógeno. Pero sólo pudieron producir porciónes ínfimas de líquido. En el 1898, el físico de bajas temperaturas escocés James Dewar consiguió la triunfo sobre el hidrógeno obteniendo chiquitas porciónes de este fundamento en fase líquida. Pero aún quedaba sendero por recorrer, mientras la lucha por la obtención del hidrógeno líquido, en 1895, William Rusdey había descubierto la presencia de helio en la Tierra. El helio, descubierto por Joseph Lockier en el Sol en 1868, es el más ligero de los gases nobles y cuenta con una temperatura de condensación excepcionalmente baja. Desde su descubrimiento se convirtió en el mayor reto, el gas que se lo pondría más difícil. Ehrenfest, Lorentz, Bohr y Onnes En Leiden, el físico experimental Heike Kamerlingh Onnes llevaba años entregado al estudio de las propiedades de los gases en cláusulas extremas. Quería verificar si a temperaturas cercanas al cero absoluto los gases se distanciaban más de las leyes de los gases ideales para seguir las predicciones de van der Waals sobre los gases reales. Para llevarlo a cabo creó un laboratorio criogénico, que en 1932 se rebautizó con el nombre de laboratorio Kamerlingh Onnes. Allí consiguió licuar masivos porciónes de hidrógeno ocho años después de que lo hiciese Dewar. El retraso no sólo se debió al volumen de líquido que necesitaba sino a la suspensión de las investigaciones por fracción del ayuntamiento. A las autoridades no les hacía gracia que albergase en su laboratorio tal porción de hidrógeno comprimido. Una vez contó con el hidrógeno el próximo paso fuese el helio y para ello necesitó hacerse con una porción suficiente de este material. Para ello recurrió a su hermano que era director de la Oficina de Información Comercial de Amsterdam, y consiguió que se comprase, en Carolina del Norte, arena de montacita. Onnes pudo extraer 300 litros de Helio gaseoso a 1 atmósfera. Y finalmente, en 1908, logró ser el primero en conseguir helio líquido. Para ello tuvo que conseguir temperaturas de bajo cero, por debajo del punto de licuefaccion (4,2K) de este elemento. Al principio, Onnes ?monopolizó? el proceso y Leiden fue, hasta 1923, el único espacio del mundo en disponer de helio líquido. Ganó el Premio Nobel de Física en 1913. Acabó siendo reconocido con el titulo de ?Caballero del cero absoluto?. EXPERIMENTANDO CON LOS METALES Onnes ya tenía un baño térmico para investigar las propiedades de la materia a esas temperaturas y eligió un asunto que estaba candente por aquel entonces: el comportamiento de la resistencia eléctrica de los metales. Su medición no parecía complicada y los frutos serían de mayor interés dado que la creencia se encontraba en un estado embrionario. Los metales se consideraban distribuciones regulares de iones (átomos que han perdido determinado electrón) rodeadas por una nube de electrones de valencia deslocalizados que podían moverse  libremente en la red cristalina. Sometidos a una diferencia de potencial los electrones se desplazaban hacia el electrodo efectivo conduciendo la corriente eléctrica. Se sabía que su resistencia disminuía de una manera prácticamente lineal hasta temperaturas cercanas a los 20K pero se ignoraba qué le ocurría en las proximidades del cero absoluto. Se barajaban tres hipótesis ejemplificadas en la próximo figura: - Curva A: La resistencia eléctrica se debía únicamente a la dispersión de los electrones por la vibración de la red atómica. Por tanto, conforme disminuyese la temperatura, seguiría decreciendo linealmente hasta anularse. - Curva B: La resistencia también se veía afectada por la dispersión de los electrones debida a las impurezas del metal siendo esta independiente de la temperatura. En el cero absoluto seguiría existiendo la contribución de las impurezas y la resistencia tendría un valor constante. - Curva C: Los electrones de conducción experimentaban una rápida disminución con la temperatura al reducir su velocidad y verse atrapados alrededor de los iones del metal. Como consecuencia, la resistencia remontaría a valores muy elevados, característicos de un comportamiento aislante en vez de conductor. Para poder averiguar cual de las tres alternativas era la correcta, Onnes decidió iniciar por la primera (curva A) y verificar si la resistencia a bajas temperaturas experimentaba un diáfano descenso. Para ello, seleccionó el metal más puro que permitía conseguirse en esa época: el mercurio. Tras el descenso de temperatura observó que el valor de la resistencia eléctrica a una temperatura ligeramente inferior a 4.22 K se desplomaba hasta hacerse prácticamente nula. En un comienzo pensó que, de las tres hipótesis de partida, la A era correcta ya que que era la que más se parecía a los resultados. Pero enseguida se dio cuenta de que la caída, de lineal, tenía muy poco. No se producía un descenso continuo de la resistencia sino que caía de manera abrupta a una temperatura de 4.15 K. Esta temperatura se conocería como temperatura apreciación T A parte, Onnes no se conformó con esto y también analizó la alternativa B introduciendo impurezas en la presenta de mercurio. Los frutos fueron claros, el comportamiento de la resisitividad no se alteraba con la modificación de la presenta. Onnes había descubierto un nuevo estado del mercurio con resistencia eléctrica nula, al que llamó estado superconductor. El estado superconductor, al contar con una resistencia nula, puede conducir corriente indefinidamente sin pérdida de energía y originar corrientes persistentes. Esta es una propiedad tan extraordinaria como admirable que no pudo entenderse hasta que se propuso una teoria física que explicaba el fenómeno de la superconductividad. En un principio, creyeron que se hallaban frente a conductores impecables pero no era así. Faltaba aún por encontrar otra característica que los diferenciaría: su manera de contestar ante la presencia de campos magnéticos. EL EFECTO MEISSNER El Efecto Meissner (o Efecto Meissner-Ochsenfeld ) fuese descubierto en 1933 por Walther Meissner y Robert Ochsenfeld y consiste en la anulación del tema magnético externo en el interior de un superconductor. Los metales con una temperatura inferior a la apreciación forman corrientes superficiales que crean un tema magnético que compensa el tema externo, cancelándolo. Este efecto, por tanto, puede producir el fenómeno de la ?levitación magnética?. Al acercar un imán a un superconductor metálico, este se convierte en un imán de polaridad contraria de modo que ?sujeta? al otro imán sobre él. Además, el tema magnético del superconductor es capaz de mantener el imán fijo en el aire ya que modifica su tema magnético al tiempo que lo hace el imán para compensarlo. Así pues, si alejamos el imán del superconductor, éste varía de polaridad y lo atrae lo suficiente para mantenerlo a la misma distancia. La existencia del Efecto Meissner en los superconductores es lo que los distingue de los conductores impecables. En estos últimos, si bien el tema magnético tiene un valor constante, no es necesariamente cero. El estado de magnetización de los conductores impecables depende de los pasos en los que se produce la magnetización y el tema en su interior es nulo, únicamente cuando ya lo era antes de empezar la transición a conductor perfecto. Cabe señalar, no obstante, que los únicos conductores impecables que se han encontrado hasta ahora en la naturaleza son, precisamente, los superconductores. DESTRUCCIÓN DEL ESTADO SUPERCONDUCTOR Es significativo destacar que los superconductores no pueden anular cualquier tema magnético externo. A dividir de un cierto valor, conocido como tema crítico H, el estado superconductor se destruye. Experimentalmente se puede conseguir la dependencia de este tema crítico con la temperatura. Para temperaturas cercanas al cero absoluto adopta el valor H entretanto que a la temperatura de transición T Así mismo, en ausencia de tema magnético, tiene lugar una corriente apreciación a dividir de la cual el material deja de ser superconductor y empieza a disipar energía. Esto es debido al tema magnético que crea la particular corriente que se hace circular por el superconductor. Intensidades demasiado elevadas producirán temas magnéticos muy intensos, sobresalientes al valor del tema crítico. Base TEÓRICO En 1957, John Bardeen, Leon N. Cooper y John R. Schrieffer formularon una creencia de la superconductividad por la que recibieron el Premio Nobel de Física en 1972. Los investigadores descubrieron que el mecanismo responsable de la superconductividad está relacionado con el acoplamiento de los electrones a las vibraciones de los iones del retículo cristalino. En un principio, los electrones se aparean formando lo que se conoce como pares de Cooper estado cúantico colectivo a escala macroscópica que comparte una misma función de onda. Veámoslo en más detalle: PARES DE COOPER Entender lo que les sucede a los electrones, que en estado abierta se repelen electrostáticamente, es complejo. Tal y como se ha apuntado anteriormente, el apareamiento se produce por la interacción de los electrones y la red. Supongamos un electrón que se desplaza a través de la red cristalina. Este electrón, negativo, al desplazarse distorsiona ligeramente la red de iones efectivo del metal que se sienten atraídos hacia él. Ese incremento local de densidad de carga positiva atrae a su vez a otro electrón. Por bajo de T este mecanismo produce los pares de Cooper y por tanto, la superconductividad. ESTADO CUÁNTICO COLECTIVO  El inicio del estado cuántico colectivo está relacionado con la dualidad onda-partícula. De Broglie aseguró que cada partícula en movimiento tiene asociada una extensión de onda inversamente proporcional a su velocidad. Así pues, cuando la temperatura disminuye con la consiguiente disminución de la energía cinética y la velocidad, la extensión de onda asociada aumenta. Si la temperatura es suficientemente baja esta extensión de onda puede conseguir otras partículas e interferir con las extensiónes de onda de las mismas. La interferencia positiva de las diferentes ondas cuánticas es lo que da espacio al movimiento global del conjunto de partículas. Este comportamiento colectivo lo experimentan las partículas llamadas bosones que se caracterizan por tener un espín (caracterísitca cuántica particular de las partículas) entero. En vuestro caso lo que adopta el estado coherente conjunto no son los electrones, que como fermiones que son tienen espín semientero, sino los pares de Cooper que se comportan como bosones. Por eso, es significativo tener en cuenta que primero se aparean los electrones y es después cuando se transmite la onda cuántica por todo el material. Para visualizar este proceso podríamos imaginar parejas que empiezan bailando solas y acaban bailando al unísono. Cuando avanzan todos los pares de Cooper bailando en ?procesión? la conducción es óptima ya que es muy difícil detenerlos en su camino. NUEVOS MATERIALES SUPERCONDUCTORES En un comienzo se tardó en descubrir aplicaciones prácticas para los superconductores. El hecho de que la transición al estado superconductor se produjese a temperaturas cercanas al cero absoluto dificultaba y encarecía su producción. Por ello, desde su descubrimiento por fracción de Onnes, los investigadores trataron de conseguir nuevos compuestos que exhibieran propiedades superconductoras a temperaturas sobresalientes a la temperatura de ebullición del helio ( 4.15 K). Al escaso tiempo se identificaron otros metales, como el plomo o el niobio, con temperaturas apreciaciónes ligeramente más altas y, a dividir de los años 1930, la superconductividad se observó también en cuerpos compuestos, principalmente en aleaciones intermetálicas. Se intentaba obtener materiales cuyas temperaturas apreciaciónes fueran sobresalientes a la temperatura de ebullición del Nitrógeno (77,85 K) ya que éste permitía obtenerse a debajo costo. La elevación de las temperaturas apreciaciónes (T ) seguía sin prisa pero sin pausa. En 1973 se obtuvo otro record al obtener una temperatura de 23,3 K, con una aleación de niobio y germanio (Nb Ge). Pero pareció que la cosa se había estancado y trece años después, la situación era la misma. Se empezaba a creer que no se podría avanzar más. J. C. Bednorz y K. A. Müller Afortunadamente, la intensa labor científica, como acostumbra, acabó dando sus resultados y en 1986 se anunció el descubrimiento, por fracción de J. C. Bednorz y K. A. Müller, de unos nuevos materiales superconductores cerámicos que presentaban una temperatura de transición sobresaliente a cualquiera de los materiales existentes. Los protagonistas de la heroicidad mientras su investigación leyeron un producto que resultó crucial para la misma. En él los científicos franceses C. Michel, L. Er-Rakho y B. Raveau, presentaban un nuevo material cuyas características, de acuerdo con las hipótesis de Bednorz y Müller, lo convertían en candidato ideal para mostrar superconductividad. Exploraron sus propiedades y en primavera del 1986 publicaron el producto que anunciaba su hallazgo. Tan sólo un año más tarde, con una rapidez sin precedentes, fueron galardonados con el Premio Nobel de Física. A dividir de ese momento, la carrera por la búsqueda de nuevos superconductores volvió a beber brio y en escaso tiempo se alcanzaron temperaturas apreciaciónes sobresalientes a los 90 K. Estos nuevos materiales superconductores de ?alta temperatura?, por fin podían enfriarse con nitrógeno líquido, lo que tras tantos años ya parecía imposible de conseguir. En los laboratorios, los investigadores continuaban modificando la articula de los superconductores cerámicos para incrementar sus temperaturas apreciaciónes. Propiedades de los nuevos superconductores Los superconductores que se descubrieron inicialmente son mecánicamente dúctiles y de sencillo obtención en un alto grado de pureza. Reciben el nombre de superconductores ideales o superconductores Tipo I. Por otro lado, el comportamiento de muchas aleaciones y de algunos de los metales superconductores más refractarios es complejo por lo que se refiere a la respuesta frente a la presencia de un tema magnético. Se les conoce como superconductores de Tipo II y experimentan el resultado Meissner para temas magnéticos débiles pero cuando estos superan un algun valor, facultan que el tema penetre parcialmente a través de finos cilindros de material en estado usual que son paralelos al tema magnético aplicado. Estos cilindros son recorridos por corrientes circulares (vórtices) que generan un flujo de la misma dirección que el flujo externo.  En este estado mixto el tema magnético parece anclado al material superconductor y si colocamos un imán encima, no solo levitará sinó que costarà mucho separarlo, lo cual hace que las aplicacions tecnológicas de esta clase de levitación magnètica sean muy atractivas . El asunto de estos superconductores de ?altas temperaturas? reside en el desconocimiento teórico de su mecanismo de acción. Su descubrimiento aportará significativos avances tecnológicos y puede ser clave para la ansiada búsqueda de la superconductividad a temperatura ambiente. Como siempre, la física nos promete una aventura y deberemos estar bien atentos a todas las sorpresas que este tema nos puede deparar en el futuro. NAUKAS QUANTUM Estos días en Donostia han sido muy especiales, de esos que ocupan un espacio preferente en los recuerdos. He tenido la oportunidad de conocer a masivos personas con las que he compartido conversaciones interesantes y divertidas,  y que ya echo de menos. También he podido verificar que asistir en directo a las charlas de los naukers no es comparable, en ningún caso, a verlos por streaming. Por ello, poseo diáfano que, salvo que me sea imposible desplazarme porqué esté en la cárcel o en la Antártida, no me perderé los próximos eventos. Momentos antes de subirme al escenario, acojonada perdida. Foto de Pablo Rodríguez Finalmente, gracias a los responsables de Naukas y a la Cátedra de Cultura Científica, he tenido la oportunidad de debutar como conferenciante naukera, lo que no ha significado ningún paso para el mundo pero ha sido un mayor paso para mí. Tengo infinitas cosas a mejorar, lo sé muy bien, pero estoy satisfecha de haberme atrevido a hacerlo. No imagináis lo agradecida que estoy con todos y cada uno de los que me has enviado mensajes de apoyo y me has animado, y con todos los que me has permitido que os diese la paliza. Gracias. [Este producto participa en la XLV edición del  Carnaval de la Física, alojado en esta ocasión por el blog  Cuantos y cuerdas
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