Todos, alguna vez, hemos estudiado las formas en que se presenta la materia en la naturaleza y, casi siempre se ha hecho referencia a los estados conocidos como: sólido, líquido y gaseoso. Pero, en realidad, existen otros estados de la materia aparte de los mencionados. Ellos son el plasma, la superfluidez y la superconductividad.
El estado superconductor se caracteriza por presentar resistencia nula al paso de la corriente eléctrica ( R=0 ), y comportarse como un material diamagnético perfecto: es decir, su susceptibilidad magnética c es igual a –1.
Los materiales diamagnéticos se caracterizan por poseer valores negativos y muy pequeños de susceptibilidad. El diamagnetismo fue descubierto por M. Faraday en 1846 cuando observó que un trozo de bismuto era repelido por cualquiera de los polos de un imán.
Podemos hacer la siguiente distinción: un conductor perfecto o ideal es aquel que no presenta resistencia alguna al paso de la corriente eléctrica; en cambio, un superconductor se caracteriza, además, por tornarse en un material diamagnético perfecto; es decir, campo magnético nulo en su interior.
Recordemos que c = M/H , siendo M el momento magnético por unidad de volumen, y H la intensidad del campo magnético. Ambas magnitudes se miden en Amper/metro, por lo tanto, c es un escalar adimensional cuando el material es isótropo o según la dirección de un eje cristalográfico en un material anisótropo. En el caso más general, será un tensor de nueve componentes. También es conveniente recordar que la permeabilidad magnética relativa está relacionada con la susceptibilidad mediante la siguiente relación: m r = 1 + c .
A continuación, se desarrolla, a grandes pasos y tratando en lo posible de mantener el hilo cronológico, los acontecimientos que, desde fines del siglo XIX y gran parte del XX, nos llevaron hasta el descubrimiento del BALACUO .
La historia de la superconductividad se halla íntimamente ligada a la investigación efectuada en la búsqueda de las temperaturas más bajas. Esta búsqueda nos ha llevado hoy a tutearnos con el cero absoluto ( 0 ºK = - 273,16 ºC)
En esta carrera que tuvo como velódromo los principales centros de investigación de Europa, Canadá y EUA y también, muchas veces, pequeños laboratorios privados erigidos ad-hoc, fueron muchos los que participaron: unas veces, cosechando gloria y reconocimiento; en otras, perdiendo su fortuna personal. Tampoco faltaron los celos, intrigas y pasiones inconfesables e, incluso, la muerte.
Los nombres que se inscriben en esta historia arrancan desde los tiempos de Gay Lussac, pasando luego por personajes tan conocidos como William Thomson (Lord Kelvin ), William Ramsay, Lockyer, Thomas Andrews, James Dewar ( el inventor del conocido “termo” ), Von Wroblewski (su laboratorio sufre un incendio y muere tratando de recuperar su crióstato), y tantos otros que quedaron en el olvido.
Y así llegamos a Leyden (Holanda). En marzo de 1908, Heike Kamerling Onnes logra la licuación del helio alcanzando una temperatura tan baja como pueden ser los 1.82 ºK por encima del cero absoluto.
Nos detenemos aquí y, por un momento, nos trasladamos a Alemania donde el físico Paul Drude está elaborando una teoría sobre la conducción de la electricidad basada en la imagen atómica de J.J.Thomson. (premio Nobel en 1906 por sus investigaciones sobre la conducción eléctrica en los gases; y por el descubrimiento del electrón. Su hijo, G.P. Thomson se hace acreedor del Nobel en 1937 por su teoría ondulatoria de los electrones).
Drude supone que, en un conductor, los electrones formaban un “gas” que rodeaba las cargas positivas de los átomos. Hoy sabemos que la imagen del átomo de Thomson fue abandonada por no corresponderse con los resultados obtenidos en experiencias posteriores. Pero la idea de Drude quedó dando vueltas en las mentes de otros iluminados. Al menos, decían, logra explicar el calentamiento producido por una corriente eléctrica al circular por un conductor (efecto Joule), puesto que Drude sostenía que los electrones interactuaban con los iones o cargas positivas del retículo atómico del cristal y, ésa era la causa de la aparición de la resistencia eléctrica de los cuerpos.
Onnes se basa en los supuestos de Drude para demostrar que la conductividad de un cuerpo es proporcional a la cantidad de electrones que participan en el transporte de la electricidad y al intervalo medio del tiempo que transcurre entre dos choques consecutivos con los iones. Luego, Hendrik Lorentz (el mismo de la transformación homónima, de aplicación en la teoría de la Relatividad Especial ), quien era amigo y compatriota de K. Onnes , conjetura que si se disminuye la temperatura del conductor deberían disminuir las vibraciones de los iones y, por ende, disminuir la cantidad de choques en la unidad de tiempo y, así la conductividad debería ir en aumento a medida que la temperatura disminuyera. En este momento, pareciera que la respuesta al porqué un material se vuelve superconductor cuando su temperatura desciende a niveles muy bajos, está a la vuelta de la esquina. Pero...
Aparece Lord Kelvin diciendo (gritando) que, al disminuir la temperatura a límites extremadamente bajos, también los electrones se “congelarían” y que, en el cero absoluto, la conductividad se volvería nula y la resistencia infinita. ¿Y?
Así estaban las cosas por el año 1910. K. Onnes, enterado de estas teorías, a las que él no daba mucho crédito, se aboca a realizar algunas experiencias (era mejor experimentador que teórico ) con aire líquido y a observar qué pasaba con la resistencia eléctrica de la muestra bajo ensayo. Pudo comprobar que cuanto más bajaba la temperatura, más bajaba la resistencia óhmica.
Onnes tenía un colaborador, un joven físico llamado Gilles Holst (se sospecha que fue este joven quién descubrió la superconductividad en 1911) y, a pedido de Onnes, efectuó experiencias con un hilo de platino enfriándolo cada vez más y, midiendo su resistencia eléctrica, constató que cuando llegaba a una temperatura de apenas unos pocos grados por encima del cero absoluto, la resistencia del platino se mantenía constante en lugar de aumentar como debería ocurrir, según Kelvin.
Holst volvió a repetir el ensayo con hilo de oro y el resultado fue el mismo. Aquí había algo escondido. ¿Qué estaba ocurriendo?
Hoy sabemos que el oro no se transforma en superconductor; su resistencia disminuye con el descenso de la temperatura pero no presenta una temperatura crítica de transición y su resistencia no se anula, sino que presenta un valor mínimo que llamamos valor residual.
Holst, con la intuición propia de los genios, sospecha algo y sospecha bien. Dado que sus muestras de platino y oro no son puras, conjetura que las impurezas algo tendrían que ver en el asunto. En esa época, era imposible obtener metales químicamente puros; sólo el mercurio tenía esa cualidad. Así que se aboca a fabricar un hilo de mercurio solidificado dentro de un tubo capilar y lo introduce en el crióstato de helio líquido que había construido Onnes y aquí comienzan las sorpresas : cuando llega a una temperatura de 4,2 ºK (268,8 ºC bajo cero ) comprueba que la resistencia eléctrica del mercurio había descendido en un factor de 500 respecto a la resistencia inicial. El entusiasmo lo embriaga; su pulso late descontrolado. Rápidamente hace descender la temperatura en sólo un centésimo de grado Kelvin, sí, sólo 0,01 ºK y oh! la resistencia del hilo de mercurio se hizo un millón de veces menor (y no es un error de imprenta). Enloquecido, que es un poco más que loco, decide bajar la temperatura otro centésimo de grado y, al medir la resistencia del bendito hilo, encuentra que ha descendido miles de millones de veces. Descansemos.
Los instrumentos que poseía y los errores propios de toda medición no le permitieron continuar el descenso al helado infierno.
Holst conjeturó que debajo de los 4,18 ºK la resistencia del mercurio sufriría un brusco descenso, se haría cero y se transformaría en un SUPERCONDUCTOR .
¿Cómo sigue esta historia?
Parece que K.Onnes, quien era el propietario del laboratorio, se arroga el descubrimiento y el 27 de mayo de 1911 lo anuncia ante la Academia Real de Ciencias de los Países Bajos.
El joven Holst abandona a su patrón, sale de Leyden y se traslada a Eindhoven donde se contacta con un rico empresario fabricante de lámparas de filamento y se asocia con él. Este empresario se llamaba ... PHILIPS .
Onnes siguió experimentando con plomo y con estaño y encontró que también se tornaban superconductores, uno a 7,2 y, el otro a 3,8 ºK. Onnes no sabía cómo explicar este comportamiento ni tampoco la causa de la existencia de una temperatura crítica debajo de la cual el material se transformaba en superconductor.
No debemos olvidar cuál era el desarrollo de la física nuclear y cuántica en esa época, año 1912. De paso debemos mencionar que un año después (1913), Onnes recibe el premio Nobel por la licuación del helio y por el descubrimiento de la superconductividad.
Otra anécdota : cuando Albert Einstein era un joven destacado le envió una carta a Onnes solicitándole que le permitiera ir a Leyden a hacer una pasantía en su laboratorio. Cuando el bueno de Onnes se enteró de quién era este joven, no le dio ni la hora. Yo digo, menos mal que no fue aceptado, sino, tal vez hoy la teoría de la relatividad tendría el nombre de : Teoría K.O.
K.Onnes continúa con su sueño dorado de solidificar al helio, pero nunca llegó a verlo, puesto que murió el 21 de febrero de 1926 y, sólo unos meses después, su discípulo Willem Keeson lo logra.
CIENCIA Y GENIOS: HISTORIA DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD
(Fuente: Ing. José A. Bruno)
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