Transición de fase [ editar ]
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En los materiales superconductores, las características de la superconductividad aparecen cuando la temperatura T se reduce por debajo de una temperatura crítica T c . El valor de esta temperatura crítica varía de un material a otro. Los superconductores convencionales generalmente tienen temperaturas críticas que van desde alrededor de 20 K a menos de 1 K. El mercurio sólido , por ejemplo, tiene una temperatura crítica de 4.2 K. A partir de 2015, la temperatura crítica más alta para un superconductor convencional es de 203 K para H 2 S , aunque se requirieron altas presiones de aproximadamente 90 gigapascales. [9] Los superconductores de Cuprate pueden tener temperaturas críticas mucho más altas: YBa2Cu 3 O 7 , uno de los primeros superconductores de cuprato descubiertos, tiene una temperatura crítica superior a 90 K, y se han encontrado cupratos a base de mercurio con temperaturas críticas superiores a 130 K. La explicación de estas temperaturas críticas altas sigue siendo desconocida . El par de electrones debido a losintercambios de fonones explica la superconductividad en los superconductores convencionales, pero no explica la superconductividad en los superconductores más nuevos que tienen una temperatura crítica muy alta.
De manera similar, a una temperatura fija por debajo de la temperatura crítica, los materiales superconductores dejan de superconducir cuando se aplica un campo magnético externo que es mayor que el campo magnético crítico . Esto es porque la energía libre de GibbsLa fase superconductora aumenta de manera cuadrática con el campo magnético, mientras que la energía libre de la fase normal es aproximadamente independiente del campo magnético. Si el material superconduce en ausencia de un campo, entonces la energía libre de fase superconductora es menor que la de la fase normal y, por lo tanto, para algún valor finito del campo magnético (proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de las energías libres en cero campo magnético) las dos energías libres serán iguales y se producirá una transición de fase a la fase normal. Más generalmente, una temperatura más alta y un campo magnético más fuerte conducen a una fracción más pequeña de electrones superconductores y, en consecuencia, a una mayor profundidad de penetración de LondresDe campos magnéticos externos y corrientes. La profundidad de penetración se vuelve infinita en la transición de fase.
El inicio de la superconductividad se acompaña de cambios abruptos en varias propiedades físicas, que es el sello de una transición de fase . Por ejemplo, la capacidad de calor electrónico es proporcional a la temperatura en el régimen normal (no superconductor). En la transición superconductora, sufre un salto discontinuo y, posteriormente, deja de ser lineal. A bajas temperaturas, en cambio, varía como e −α / T para alguna constante, α. Este comportamiento exponencial es una de las piezas de evidencia de la existencia de la brecha de energía .
El orden de la transición de la fase superconductora fue durante mucho tiempo una cuestión de debate. Los experimentos indican que la transición es de segundo orden, lo que significa que no hay calor latente . Sin embargo, en presencia de un campo magnético externo hay calor latente, porque la fase superconductora tiene una entropía más baja por debajo de la temperatura crítica que la fase normal. Se ha demostrado experimentalmente [10] que, como consecuencia, cuando el campo magnético aumenta más allá del campo crítico, la transición de fase resultante conduce a una disminución de la temperatura del material superconductor.
Los cálculos en la década de 1970 sugirieron que en realidad podría ser débilmente de primer orden debido al efecto de las fluctuaciones de largo alcance en el campo electromagnético. En la década de 1980 se demostró teóricamente con la ayuda de una teoría de campo de desorden , en la que las líneas de vórtice del superconductor desempeñan un papel importante, que la transición es de segundo orden dentro del régimen de tipo II y de primer orden (es decir, calor latente). ) dentro del régimen de tipo I , y que las dos regiones están separadas por un punto tricrítico . [11] Los resultados fueron fuertemente apoyados por simulaciones por computadora de Monte Carlo. [12]
Efecto Meissner [ editar ]
Cuando un superconductor se coloca en un campo magnético externo débil H , y se enfría por debajo de su temperatura de transición, el campo magnético se expulsa. El efecto Meissner no hace que el campo sea expulsado por completo, sino que el campo penetra en el superconductor, pero solo a una distancia muy pequeña, caracterizada por un parámetro λ , llamada profundidad de penetración de Londres , que decae exponencialmente hasta cero dentro del grueso del material. El efecto Meissner es una característica definitoria de la superconductividad. Para la mayoría de los superconductores, la profundidad de penetración de Londres es del orden de 100 nm.
El efecto Meissner a veces se confunde con el tipo de diamagnetismo que uno esperaría en un conductor eléctrico perfecto: de acuerdo con la ley de Lenz , cuando se aplica un campo magnético cambiante a un conductor, inducirá una corriente eléctrica en el conductor que crea un magnético opuesto. campo. En un conductor perfecto, se puede inducir una corriente arbitrariamente grande, y el campo magnético resultante cancela exactamente el campo aplicado.
El efecto Meissner es distinto de esto: es la expulsión espontánea que ocurre durante la transición a la superconductividad. Supongamos que tenemos un material en su estado normal, que contiene un campo magnético interno constante. Cuando el material se enfría por debajo de la temperatura crítica, observaríamos la abrupta expulsión del campo magnético interno, lo cual no esperaríamos según la ley de Lenz.
El efecto Meissner recibió una explicación fenomenológica de los hermanos Fritz y Heinz London , quienes demostraron que la energía electromagnética libre en un superconductor se minimiza siempre que
Esta ecuación, conocida como la ecuación de Londres , predice que el campo magnético en un superconductor decae exponencialmente de cualquier valor que posea en la superficie.
Un superconductor con poco o ningún campo magnético dentro de él se dice que está en el estado de Meissner. El estado de Meissner se descompone cuando el campo magnético aplicado es demasiado grande. Los superconductores se pueden dividir en dos clases según cómo se produce este desglose. En los superconductores de Tipo I , la superconductividad se destruye bruscamente cuando la fuerza del campo aplicado se eleva por encima de un valor crítico H c . Dependiendo de la geometría de la muestra, se puede obtener un estado intermedio [13] que consiste en un patrón barroco [14] de regiones de material normal que llevan un campo magnético mezclado con regiones de material superconductor que no contienen campo. En superconductores tipo II, elevar el campo aplicado más allá de un valor crítico H c 1 conduce a un estado mixto (también conocido como estado de vórtice) en el que una cantidad cada vez mayor de flujo magnético penetra en el material, pero no hay resistencia al flujo de corriente eléctrica durante todo el tiempo Como la corriente no es demasiado grande. En una segunda intensidad de campo crítica H c 2 , la superconductividad se destruye. El estado mixto en realidad es causado por vórtices en el superfluido electrónico, a veces llamado fluxones porque el flujo transportado por estos vórtices es cuantizado . La mayoría de los superconductores elementales puros , excepto niobio y nanotubos de carbono, son tipo I, mientras que casi todos los superconductores impuros y compuestos son tipo II.
Londres momento [ editar ]
A la inversa, un superconductor giratorio genera un campo magnético, alineado precisamente con el eje de giro. El efecto, el momento en Londres , fue puesto a buen uso en la Sonda de Gravedad B . Este experimento midió los campos magnéticos de cuatro giroscopios superconductores para determinar sus ejes de giro. Esto fue fundamental para el experimento, ya que es una de las pocas formas de determinar con precisión el eje de giro de una esfera por lo demás sin rasgos distintivos.
Historia de la superconductividad [ editar ]
La superconductividad fue descubierta el 8 de abril de 1911 por Heike Kamerlingh Onnes , quien estaba estudiando la resistencia del mercuriosólido a temperaturas criogénicas utilizando el helio líquidorecientemente producido como refrigerante . A la temperatura de 4.2 K, observó que la resistencia desapareció bruscamente. [15] En el mismo experimento, también observó la transición superfluida del helio a 2,2 K, sin reconocer su importancia. La fecha y las circunstancias precisas del descubrimiento solo se reconstruyeron un siglo después, cuando se encontró el cuaderno de Onnes. [dieciséis]En décadas posteriores, se observó superconductividad en varios otros materiales. En 1913, se descubrió que el plomo era superconductor a 7 K, y en 1941 se encontró que el nitruro de niobio era superconducto a 16 K.
Se han dedicado grandes esfuerzos a descubrir cómo y por qué funciona la superconductividad; El paso importante ocurrió en 1933, cuando Meissner y Ochsenfeld descubrieron que los superconductores expulsaban los campos magnéticos aplicados, un fenómeno que se conoce como el efecto Meissner . [17] En 1935, Fritz y Heinz London demostraron que el efecto Meissner era una consecuencia de la minimización de la energía libreelectromagnética transportada por la corriente superconductora. [18]
La teoría de Londres [ editar ]
La primera teoría fenomenológica de la superconductividad fue la teoría de Londres . Fue presentado por los hermanos Fritz y Heinz London en 1935, poco después del descubrimiento de que los campos magnéticos son expulsados de los superconductores. Un gran triunfo de las ecuaciones de esta teoría es su capacidad para explicar el efecto Meissner , [17] en donde un material expulsa exponencialmente todos los campos magnéticos internos cuando cruza el umbral superconductor. Al usar la ecuación de Londres, se puede obtener la dependencia del campo magnético dentro del superconductor de la distancia a la superficie. [19]
Hay dos ecuaciones de Londres:
Teorías convencionales (década de 1950) [ editar ]
Durante la década de 1950, los físicos teóricos de la materia condensada llegaron a una comprensión de la superconductividad "convencional", a través de un par de teorías notables e importantes: la teoríafenomenológica de Ginzburg-Landau (1950) y la teoría microscópica de BCS (1957). [20] [21]
En 1950, la teoría fenomenológica de la superconductividad de Ginzburg-Landau fue ideada por Landau y Ginzburg . [22] Esta teoría, que combinó la teoría de Landau de las transiciones de fase de segundo orden con una ecuación de onda similar a Schrödinger , tuvo un gran éxito al explicar las propiedades macroscópicas de los superconductores. En particular, Abrikosovmostró que la teoría de Ginzburg-Landau predice la división de los superconductores en las dos categorías que ahora se conocen como Tipo I y Tipo II. Abrikosov y Ginzburg fueron galardonados con el Premio Nobel de 2003 por su trabajo (Landau recibió el Premio Nobel de 1962 por otro trabajo y murió en 1968). La extensión en cuatro dimensiones de la teoría de Ginzburg-Landau, el modelo de Coleman-Weinberg , es importante en la teoría cuántica de campos y la cosmología .
También en 1950, Maxwell y Reynolds et al. encontró que la temperatura crítica de un superconductor depende de la masa isotópica del elemento constituyente . [23] [24] Este importante descubrimiento apuntaba a la interacción electrón - fonón como el mecanismo microscópico responsable de la superconductividad.
La teoría microscópica completa de la superconductividad fue finalmente propuesta en 1957 por Bardeen , Cooper y Schrieffer . [21] Esta teoría de BCS explica la corriente superconductora como un superfluido de paresde Cooper , pares de electrones que interactúan a través del intercambio de fonones. Por este trabajo, los autores recibieron el Premio Nobel en 1972.
La teoría de BCS se estableció sobre una base más firme en 1958, cuando NN Bogolyubov demostró que la función de onda de BCS, que originalmente se había derivado de un argumento variacional, podía obtenerse utilizando una transformación canónica del Hamiltoniano electrónico . [25] En 1959, Lev Gor'kov mostró que la teoría BCS se reducía a la teoría de Ginzburg-Landau cerca de la temperatura crítica. [26] [27]
Las generalizaciones de la teoría BCS para superconductores convencionales forman la base para la comprensión del fenómeno de la superfluidez , ya que caen dentro de la clase de universalidad de transición lambda . La medida en que dichas generalizaciones pueden aplicarse a superconductores no convencionalesaún es controvertida.
Más historia [ editar ]
La primera aplicación práctica de la superconductividad se desarrolló en 1954 con la invención de Dudley Allen Buck del criotrón . [28] Dos superconductores con valores muy diferentes de campo magnético crítico se combinan para producir un interruptor rápido y simple para los elementos de la computadora.
Poco después de descubrir la superconductividad en 1911, Kamerlingh Onnes intentó hacer un electroimán con devanados superconductores, pero descubrió que los campos magnéticos relativamente bajos destruyeron la superconductividad en los materiales que investigó. Mucho más tarde, en 1955, GB Yntema [29] logró construir un pequeño electroimán con núcleo de hierro de 0.7 tesla con bobinas superconductoras de niobio. Luego, en 1961, JE Kunzler, E. Buehler, FSL Hsu y JH Wernick [30]hizo el sorprendente descubrimiento de que, a 4.2 kelvin, un compuesto que consta de tres partes de niobio y una parte de estaño, era capaz de soportar una densidad de corriente de más de 100,000 amperios por centímetro cuadrado en un campo magnético de 8.8 tesla. A pesar de ser frágil y difícil de fabricar, el niobio-estaño ha demostrado ser extremadamente útil en supermagnetos que generan campos magnéticos de hasta 20 tesla. En 1962, TG Berlincourt y RR Hake [31] [32] descubrieron que las aleaciones de niobio y titanio son adecuadas para aplicaciones de hasta 10 tesla. Inmediatamente después, la producción comercial de alambre supermagnético de niobio-titanio comenzó en Westinghouse Electric Corporation y en Wah Chang Corporation.. A pesar de que el niobio-titanio posee propiedades superconductoras menos impresionantes que las del niobio-estaño, el niobio-titanio se ha convertido, sin embargo, en el material supermagneto "caballo de batalla" más utilizado, en gran medida como consecuencia de su gran ductilidad y facilidad de fabricación. . Sin embargo, tanto el niobio-estaño como el niobio-titanio encuentran una amplia aplicación en las imágenes médicas de resonancia magnética, imanes de flexión y enfoque para enormes aceleradores de partículas de alta energía y una gran cantidad de otras aplicaciones. Conectus, un consorcio europeo de superconductividad, estimó que en 2014, la actividad económica mundial para la cual era indispensable la superconductividad era de unos cinco mil millones de euros, y los sistemas de RM representaban alrededor del 80% de ese total.
En 1962, Josephson hizo la importante predicción teórica de que una supercorriente puede fluir entre dos piezas de superconductor separadas por una delgada capa de aislante. [33] Este fenómeno, ahora llamado efecto Josephson , es explotado por dispositivos superconductores como los SQUID . Se utiliza en las mediciones disponibles más precisas del flujo magnético cuántico Φ 0 = h / (2 e ), donde h es la constante de Planck . Junto con la resistividad cuántica de Hall., esto conduce a una medida precisa de la constante de Planck. Josephson recibió el Premio Nobel por este trabajo en 1973.
En 2008, se propuso que el mismo mecanismo que produce la superconductividad podría producir un estado de superinsulador en algunos materiales, con una resistencia eléctrica casi infinita . [34]
Superconductividad de alta temperatura [ editar ]
Hasta 1986, los físicos creían que la teoría de BCS prohibía la superconductividad a temperaturas superiores a aproximadamente 30 K. En ese año, Bednorz y Müllerdescubrieron la superconductividad en un material de perovskita decuprato a base de lantano , que tenía una temperatura de transición de 35 K (Premio Nobel de Física, 1987). [5]Pronto se descubrió que reemplazar el lantano con itrio (es decir, hacer YBCO ) elevó la temperatura crítica por encima de 90 K. [35]
Este salto de temperatura es particularmente significativo, ya que permite el nitrógeno líquido como refrigerante, reemplazando al helio líquido . [35] Esto puede ser importante comercialmente porque el nitrógeno líquido se puede producir de forma relativamente económica, incluso en el sitio. Además, las temperaturas más altas ayudan a evitar algunos de los problemas que surgen a temperaturas de helio líquido, como la formación de tapones de aire congelado que pueden bloquear las líneas criogénicas y causar una acumulación de presión no anticipada y potencialmente peligrosa. [36] [37]
Desde entonces, se han descubierto muchos otros superconductores de cuprato, y la teoría de la superconductividad en estos materiales es uno de los principales desafíos sobresalientes de la física teórica de la materia condensada . [38] Actualmente hay dos hipótesis principales: la teoría de la unión de valencia-resonanciay la fluctuación de espín que tiene el mayor apoyo en la comunidad de investigación. [39] La segunda hipótesis proponía que el par de electrones en superconductores de alta temperatura está mediado por ondas de giro de corto alcance conocidas como paramagnones . [40] [41] [ dudoso ]
En 2008, Gubser, Hartnoll, Herzog y Horowitz propusieron la superconductividad holográfica, que utiliza la dualidad holográfica o la teoría de correspondencia AdS / CFT , como una posible explicación de la superconductividad a alta temperatura en ciertos materiales. [42]
Desde aproximadamente 1993, el superconductor de temperatura más alta ha sido un material cerámico que consiste en mercurio, bario, calcio, cobre y oxígeno (HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 + δ ) con T c = 133–138 K. [43] [ 44] El último experimento (138 K) todavía espera confirmación experimental, sin embargo.
En febrero de 2008, se descubrió una familia de superconductores de alta temperatura a base de hierro. [45] [46]Hideo Hosono, del Instituto de Tecnología de Tokio , y sus colegas encontraron lantano, oxígeno, flúor y hierro arseniuro (LaO 1 − x F x FeAs), un oxypnictide que superconduce debajo de 26 K. Reemplazo del lantano en LaO 1− x F x FeAs con samario conduce a superconductores que funcionan a 55 K. [47]
En mayo de 2014, sulfuro de hidrógeno ( H
Se predijo que2 S) era un superconductor de alta temperatura con una temperatura de transición de 80 K a 160 gigapascales de presión. [48] En 2015,H
Se ha observado que2 Sexhibe superconductividad por debajo de 203 K pero a presiones extremadamente altas, alrededor de 150 gigapascales. [49]
Se predijo que2 S) era un superconductor de alta temperatura con una temperatura de transición de 80 K a 160 gigapascales de presión. [48] En 2015,H
Se ha observado que2 Sexhibe superconductividad por debajo de 203 K pero a presiones extremadamente altas, alrededor de 150 gigapascales. [49]
En 2018, un equipo de investigación del Departamento de Física, Instituto de Tecnología de Massachusetts , descubrió la superconductividad en el grafeno de dos capas con una capa torcida en un ángulo de aproximadamente 1.1 grados, enfriando y aplicando una pequeña carga eléctrica. Incluso si los experimentos no se llevaron a cabo en un entorno de alta temperatura, los resultados se correlacionan menos con los superconductores clásicos pero de alta temperatura, dado que no es necesario introducir átomos extraños. [50]
Aplicaciones [ editar ]
Los imanes superconductores son algunos de los electroimanes más potentes conocidos. Se utilizan en máquinas de IRM / RMN , espectrómetros de masas , los imanes de dirección de haz utilizados en aceleradores de partículas e imanes de confinamiento de plasma en algunos tokamaks . También se pueden usar para la separación magnética, donde las partículas débilmente magnéticas se extraen de un fondo de partículas menores o no magnéticas, como en las industrias de pigmentos .
En las décadas de 1950 y 1960, los superconductores se utilizaron para construir computadoras digitales experimentales utilizando interruptores de criotrón . Más recientemente, los superconductores se han utilizado para hacer circuitos digitales basados en tecnología cuántica de flujo único rápido y filtros de RF y microondaspara estaciones base de teléfonos móviles .
Los superconductores se utilizan para construir uniones Josephson, que son los componentes básicos de los SQUID (dispositivos superconductores de interferencia cuántica), los magnetómetros más sensibles conocidos. Los SQUID se utilizan para escanear microscopios y magnetoencefalografía . Se utilizan series de dispositivos Josephson para realizar el voltio SI . Dependiendo del modo de operación en particular, una unión Josephson superconductor-superconductor se puede usar como detector de fotones o como mezclador. El gran cambio de resistencia en la transición de la normal- para el estado superconductor se utiliza para construir termómetros en criogénicos micro-calorímetro de fotones detectores . El mismo efecto se usa en bolómetros ultrasensibles hechos de materiales superconductores.
Otros mercados tempranos surgen cuando las ventajas de eficiencia relativa, tamaño y peso de los dispositivos basados en superconductividad a alta temperatura superan los costos adicionales involucrados. Por ejemplo, en las turbinas eólicas, el menor peso y volumen de los generadores superconductores podría llevar a ahorros en los costos de construcción y torre, compensando los costos más altos para el generador y reduciendo el LCOE total. [51]
Las aplicaciones prometedoras para el futuro incluyen redes inteligentes de alto rendimiento , transmisión de energía eléctrica , transformadores , dispositivos de almacenamiento de energía , motores eléctricos (p. Ej., Para propulsión de vehículos, como en vactrains o trenes maglev ), dispositivos de levitación magnética , limitadores de corriente de falla , mejora de dispositivos espintrónicos con materiales superconductores. , [52] y superconductores de refrigeración magnética . Sin embargo, la superconductividad es sensible a los campos magnéticos en movimiento, por lo que las aplicaciones que usan corriente alterna(por ejemplo, transformadores) será más difícil de desarrollar que los que dependen de la corriente continua . En comparación con las líneas eléctricas tradicionales, las líneas de transmisión superconductor son más eficientes y requieren solo una fracción del espacio, lo que no solo conduciría a un mejor desempeño ambiental sino que también podría mejorar la aceptación pública para la expansión de la red eléctrica. [53]
Premios Nobel de superconductividad [ editar ]
- Heike Kamerlingh Onnes (1913), "por sus investigaciones sobre las propiedades de la materia a bajas temperaturas que llevaron, entre otras cosas, a la producción de helio líquido"
- John Bardeen , Leon N. Cooper y J. Robert Schrieffer (1972), "por su teoría de superconductividad desarrollada conjuntamente, generalmente llamada la teoría BCS"
- Leo Esaki , Ivar Giaever y Brian D. Josephson (1973), "por sus descubrimientos experimentales sobre fenómenos de tunelización en semiconductores y superconductores, respectivamente" y "por sus predicciones teóricas de las propiedades de una supercorriente a través de una barrera de túnel, en particular aquellos fenómenos que generalmente se conocen como los efectos de Josephson "
- Georg Bednorz y K. Alex Müller (1987), "por su importante avance en el descubrimiento de la superconductividad en materiales cerámicos"
- Alexei A. Abrikosov , Vitaly L. Ginzburg y Anthony J. Leggett (2003), "por sus contribuciones pioneras a la teoría de los superconductores y los superfluidos" [54]
- Michael Kosterlitz , Duncan Haldane , David J. Thouless (2016), "para descubrimientos teóricos de transiciones de fases topológicas y fases topológicas de la materia"
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