¿Qué es un superconductor? Definición, tipos y usos

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Un superconductor es un material que, al enfriarse por debajo de una temperatura denominada temperatura crítica, pierde repentinamente toda su resistencia eléctrica, lo que le permite conducir la electricidad sin pérdida de energía. Estos materiales también exhiben una propiedad magnética muy peculiar: son sustancias perfectamente diamagnéticas, es decir, que excluyen las líneas del campo magnético. Esto significa que cuando se colocan cerca de un imán, las líneas de campo magnético pasan por los lados, pero no penetran el material.

Cuando en un material superconductor, como por ejemplo un alambre circular, se induce una corriente eléctrica, esta corriente sigue fluyendo indefinidamente siempre que el material permanezca frío. A esta corriente sin resistencia se le denomina supercorriente y se utiliza, entre otras cosas, para generar campos magnéticos muy intensos.

La superconductividad, es decir, la propiedad de un material de transformarse en superconductor por debajo de la temperatura crítica, se descubrió en 1911 y dejó completamente pasmados a los físicos del momento. Pasaron más de dos décadas antes de que se descubrieran sus propiedades diamagnéticas (a lo que se le denomina efecto Meissner) y casi medio siglo para que los físicos pudieran explicar por qué se da la superconductividad. Fue en 1957 cuando John Bardeen, Leon Cooper y Bob Schrieffer resolvieron el problema, lo que les valió el premio Nobel en Física en 1972.

La temperatura crítica y los superconductores de alta temperatura

El primer superconductor que se descubrió tiene una temperatura crítica de tan solo 3,6 K, lo que equivale a – 269,6 °C. Generar y mantener temperaturas tan bajas es extremadamente difícil, lo cual ha limitado el uso de superconductores a un puñado de aplicaciones muy específicas, como veremos más adelante en este artículo.

Por esta razón, hay cientos de científicos alrededor del mundo que están trabajando constantemente en el desarrollo de superconductores con una temperatura crítica cercana a la temperatura ambiente. Estos materiales se denominan superconductores de alta temperatura.

Los primeros progresos aumentaron la temperatura crítica en algunas decenas de grados, pero recientemente se ha logrado desarrollar por primera vez un superconductor cuya temperatura crítica es de 14,5 °C.

Tipos de superconductores

Existen básicamente dos tipos de superconductores, según la composición y la forma como interactúan con campos magnéticos.

Superconductores tipo I

Estos fueron los primeros que se descubrieron. Se trata de elementos puros que presentan el efecto Meissner, es decir, que repelen los campos magnéticos cuando están por debajo de la temperatura crítica. En general tienen una sola temperatura crítica que es característica de cada material, y la caída de la resistencia eléctrica por debajo de la temperatura crítica es abrupta.

Superconductores tipo II

Estos consisten en mezclas de diferentes elementos que se combinan para formar aleaciones o materiales cerámicos que exhiben superconductividad. Lo que los hace diferentes de los superconductores tipo I es que la caída de resistencia eléctrica es gradual, por lo que tienen dos temperaturas críticas: una cuando comienza a caer la resistencia y otra cuando esta llega a cero.

Otra característica importante de este tipo de superconductores es que si se aplica un campo magnético externo lo suficientemente fuerte, el material pierde su superconductividad.

Usos de los superconductores

Aceleradores de partículas

Tal vez la aplicación más impresionante hasta el momento de los superconductores es en el campo de la investigación científica en torno a la física de partículas. Los superconductores se utilizan en los electroimanes que mantienen confinado el haz de partículas en el gran colisionador de hadrones, una de las máquinas más grandes construidas por el hombre.

Energía termonuclear

La fusión nuclear ha sido desde hace 100 años la fuente soñada de energía limpia. Sin embargo, para lograr que se dé la fusión nuclear y que se mantenga, se necesita calentar hidrógeno gaseoso y helio hasta 100 millones de grados Celsius mientas gira dentro de una dona hueca llamada Tokamak, donde es confinada por medio de potentes electroimanes fabricados con superconductores.

Computación cuántica

Una de las implementaciones más prometedoras de la computación cuántica utiliza circuitos superconductores, que son esenciales para su funcionamiento.

superconductores en computación cuántica
Superconductores en computación cuántica

Diagnóstico médico por imagen

El desarrollo de los superconductores ha permitido la creación de aparatos y técnicas de diágnóstico médico por imagen que antes no eran posibles. Una de estas técnicas es la magnetoencefalografía SQUID, que es capaz de detectar cambios en los campos magnéticos de la milmillonésima parte del campo magnético necesario para mover la aguja de una brújula.

Imagenología nueva gracias a superconductores
Túnel de resonancia magnética

Generación de electricidad

Finalmente, otra aplicación reciente es el uso de generadores de electricidad fabricados con alambre superconductor en lugar de alambres de cobre. Estos generadores son muchísimo más eficientes que los convencionales, y mucho más pequeños y livianos.

Referencias

Charles Slichter (2007). Introduction to the History of Superconductivity (for physics students and scientists). Recuperado de https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (octubre de 2020). First room-temperature superconductor excites — and baffles — scientists. Nature 586, 349. Recuperado de https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R. et al. (2020). Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature 586, 373–377. Recuperado de https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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