13.1 Descubrimiento de la superconductividad
La superconductividad es un efecto cuántico macroscópico que fue descubierto por primera vez por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes en 1911. [1] Kamerlingh Onnes estaba estudiando la resistencia eléctrica del mercurio a bajas temperaturas y descubrió que a aproximadamente 2 Kelvin (-267.15 ° C) la resistencia cayó abruptamente a cero.
En los conductores ordinarios, la resistencia eléctrica disminuye a medida que disminuye la temperatura, pero nunca llega a cero porque los electrones chocan entre sí. Sin embargo, una corriente eléctrica que fluye en un bucle de alambre de mercurio podría mantener una corriente para siempre, sin voltaje aplicado, aunque tendría que proporcionar la energía para mantenerla fría, por lo que el mercurio se denominó superconductor.
13.1.1 El efecto Meissner
Se descubrió que muchos otros metales actúan de la misma manera y, en 1933, los físicos alemanes Walther Meissner y Robert Ochsenfeld demostraron que los superconductores también expulsan campos magnéticos. [2] Esto se conoce como el efecto Meissner. La fuerza del campo magnético de un superconductor puede ser más fuerte que la fuerza gravitacional de algunos objetos, lo que les permite levitar.
13.1.2 Pares de Cooper
En 1957, los físicos estadounidenses John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer demostraron que la superconductividad puede explicarse si, a energías suficientemente bajas, los electrones forman una sola onda cuántica hecha de pares de electrones con espines y momentos iguales y opuestos. . [3,4] Estos se conocen como pares de condensados o pares de Cooper.
Los electrones normalmente son rechazados por la carga negativa de otros electrones, pero en 1956, Cooper había demostrado que a veces los electrones pueden superar esta repulsión y formar pares unidos. [5] Esto sucede cuando una fuerza más fuerte atrae a ambos electrones. En las teorías clásicas, esta podría ser la carga de los iones positivos dentro de un metal conductor, pero en el caso cuántico, se debe a la interacción de los electrones con los fonones. Un fonón es la unidad de energía que surge porque los átomos dentro de un metal están oscilando. Estas oscilaciones producen ondas que transportan calor y sonido por todo el metal.
Cuando están en pares, los electrones, que son fermiones con un valor de espín de 1/2 o -1/2, actúan como si tuvieran un valor de espín de 0, por lo que no obedecen el principio de exclusión de Pauli. Tienden a “condensarse” en el estado de energía más bajo, donde sus funciones de onda se superponen y actúan como un gran átomo u onda: un condensado de Bose-Einstein.
Los pares de cobre se rompen fácilmente por la energía térmica, por lo que la temperatura debe mantenerse baja. La teoría de Bardeen, Cooper y Schrieffer demostró que los materiales no podían volverse superconductores en aproximadamente 30 Kelvin (-243,15 ° C).
En 1986, sin embargo, el físico alemán Johannes Georg Bednorz y el físico suizo Karl Alexander Müller descubrieron la superconductividad en un material cerámico a 35 Kelvin (-238.15 ° C). [6] Dentro de un año, se demostró que la superconductividad se producía a 93 Kelvin (-181,15 ° C), lo que significaba que el nitrógeno líquido podía usarse como refrigerante. [7]
Desde entonces se han encontrado muchos otros superconductores a temperaturas tan altas como 138 Kelvin (-135.15 ° C). [8] Todavía no se entiende cómo se forman los condensados de pares en estos casos, aunque pueden ser creados por ondas formadas por un giro oscilante en lugar de átomos oscilantes. [9]
Los cables superconductores se utilizan en muchas tecnologías modernas. Ayudan a crear los electroimanes en escáneres de resonancia magnética (RM), [10] y se utilizan para crear trenes de alta velocidad, levitados magnéticamente, conocidos como Maglev trenes [11] Actualmente hay trenes Maglev en funcionamiento en Corea del Sur y Japón que pueden alcanzar velocidades de hasta 600 km / h (373 mph). [12]
La superconductividad puede ocurrir tanto en protones como en electrones. Se espera que los protones formen un fluido superconductor dentro de la corteza, y posiblemente el núcleo, de las estrellas de neutrones (discutido en el Libro I), que se espera que tengan temperaturas de millones de Kelvin. [13] La temperatura crítica para que ocurra la superconductividad es mucho mayor en este caso porque los protones interactúan a través de la fuerza nuclear fuerte (discutido en Capítulo 23 ) en lugar de la fuerza electromagnética (discutido en Capítulo 22 ). [14]
13.2 Descubrimiento de superfluidez
La superfluidez es un efecto similar a la superconductividad que fue descubierto por el físico canadiense John “Jack” Allen y el físico británico Don Misener en 1937, [15] y fue descubierto independientemente por el físico ruso Pyotr Kapitza el mismo año. [16]
La superfluidez permite que los líquidos fluyan con viscosidad cero, donde la viscosidad es una medida de resistencia, análoga a la resistencia eléctrica. Esto les permite permanecer completamente quietos incluso si su contenedor está girando, fluir a través de los poros en sus contenedores y fluir verticalmente hacia arriba. Esto ocurre debido al efecto sifón, que es posible porque todavía tienen tensión de agua.
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Figura 13.2 |
Un superfluido escapa de su contenedor. |
Los superfluidos se forman de dos maneras:
- Si el fluido está compuesto de bosones, como el helio-4, se convierte en un verdadero condensado de Bose-Einstein.
- Si está compuesto de fermiones, como helio-3 o neutrones, puede imitar un condensado de Bose-Einstein.
Un superfluido compuesto de fermiones imita un condensado de Bose-Einstein de la misma manera que los electrones imitan a los bosones cuando exhiben los efectos de la superconductividad. Sin embargo, en la superfluidez, los pares pueden formarse a partir de átomos o partículas neutrales, y la interacción está mediada por ondas causadas por un giro oscilante. La superfluidez puede ocurrir a temperaturas más altas en fluidos hechos de bosones, pero el estado superfluido se destruye si el fluido se mueve a cierta velocidad crítica.
Se cree que la superfluidez, como la superconductividad, existe dentro de las estrellas de neutrones.