Los superconductores duros
La posibilidad de obtener un superconductor de alta temperatura crítica ha sido muy atractiva desde el momento en que se descubrió la superconductividad. Los beneficios tecnológicos que se obtendrían son muy claros y nos referiremos a ellos mas adelante. Se ha desplegado un enorme esfuerzo, tanto teórico como experimental, hacia la consecución de un material superconductor de alta temperatura crítica, y no fue sino hasta 1987 cuando, con una clase totalmente nueva de materiales superconductores, los superconductores cerámicos, se lograron temperaturas del orden de 100 Kelvin. El manejo tecnológico de
los materiales cerámicos es bastante problemático, pero no es imposible.
Los superconductores cerámicos pertenecen a la clase conductores denominados Tipo II o superconductores duros. Presentan elevados valores para el campo magnético crítico.
Los nuevos materiales superconductores
Hemos mencionado ya que en abril de 1986 se anunció el descubrimiento de unos nuevos materiales superconductores que eran cerámicos y que presentaban una temperatura de transición superior a cualquiera de los materiales existentes en esas fechas. Al escribir estas líneas la temperatura crítica de transición superconductora más alta reportada es de alrededor de 135K, bastante arriba de la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido, que es un refrigerante de precio muy económico y fácil de obtener. También hay indicios muy prometedores de que se podrán lograr temperaturas de transición quizá por arriba de 200K.
El descubrimiento de este nuevo tipo de superconductores fue realizado por J. C. Bednorz y K. A. Müller en un laboratorio de investigación de la compañía IBM en Zurich, Suiza. Por vez primera, después de más de 12 años fue posible encontrar una sustancia con una temperatura de transición superior a 23.3 Kelvin. En su investigación leyeron un artículo científico que resulta pieza clave en su trabajo. Se debía a los científicos franceses C. Michel, L. Er-Rakho y B. Raveau, y en él se presentaba un nuevo material cuyas características de ser un óxido metálico nuevo de cobre de valencia mixta lo convertían en candidato ideal para presentar superconductividad, de acuerdo con las hipótesis de trabajo de Bednorz y Müller. La composición de este material es: BaLa4Cu5 O13·4. Bednorz y Müller empezaron a explorar sus propiedades, variando la concentración de Ba. En la primavera de 1986 publicaron su artículo anunciando la superconductividad a una temperatura de 35 Kelvin en esta clase de compuestos. En éstos, el arreglo de los iones corresponde a una geometría típicamente conocida como perouvskita y que es muy común entre los materiales llamados ferroeléctricos.
El rápido progreso que se ha alcanzado para encontrar materiales de este tipo, con temperaturas de transición superconductora cada vez más altas, ha sido realmente sorprendente. Muy pocos avances científicos, si es que ha habido alguno, han generado tal flujo de actividad científica casi frenética en todo el mundo y, al mismo tiempo, un interés inmediato y muy grande entre el público en general. Lo que la inmensa mayoría pensaba ya como algo imposible es ahora algo real y palpable: tener superconductividad a temperaturas mayores que las el nitrógeno líquido.
El trabajo de Bednorz y Müller les valió el premio Nobel de Física de 1987. Es interesante notar que es la segunda vez que se otorga un premio Nobel a temas relacionados con la superconductividad.
Casi inmediatamente después del anuncio del descubrimiento de Bednorz y Müller, muchos grupos de científicos en el mundo se lanzaron a tratar de obtener temperaturas de transición más altas. Uno de los grupos más exitosos ha sido el del doctor Paul Chu, de la Universidad de Houston, uno de los primeros en darse cuenta de la importancia del descubrimiento de Bednorz y Müller, quien se dedicó de lleno a la investigación de este tipo de materiales. Pronto encontraron que la temperatura crítica podía ser aumentada a 57 Kelvin aplicando presión al material. Tanto la magnitud del cambio en Tc, como el hecho de que aumentara con la presión aplicada eran anormales si se comparan con los superconductores conocidos con anterioridad a estos nuevos materiales. Con esto en mente, Chu y sus colaboradores empezaron a buscar maneras de simular una "presión interna" en estos materiales reemplazando el lantano (La) con iones parecidos, como el de itrio (Y). A fines de febrero de 1987, Chu anunció que había encontrado un compuesto que tenía una temperatura de transición al estado superconductor mayor de 90 Kelvin. La composición de este material está dada por YBa2Cu3Ox. Casi simultáneamente se anunció la obtención de un material de composición semejante y propiedades similares en China. En unos pocos días, con composiciones que eran variantes de la reportada por Chu y sus colaboradores, una docena de grupos alrededor del mundo informaron sobre la obtención de materiales superconductores cerámicos con temperaturas de transición arriba de los 90 Kelvin, que ya han sido preparados en la Universidad Nacional Autónoma de México; la manera de sintetizarlos es muy sencilla y puede efectuarse con la tecnología que está al alcance de los países del llamado Tercer Mundo.
Es muy claro que disponer de materiales superconductores de temperatura crítica por arriba del nitrógeno líquido es una realidad en nuestro país y en muchas otras naciones tercermundistas. También comienza a ser muy claro que con ellos el mundo no volverá a ser el mismo. Es muy probable que, una vez más, la física cambiará nuestra manera de vivir como ocurrió con el advenimiento del motor eléctrico, del transistor, etcétera.
Vale la pena señalar que las perouvskitas de cobre y oxígeno, los nuevos materiales superconductores, habían sido muy estudiadas en la última década, especialmente por Raveau, Michel y colaboradores. Gran parte de su trabajo sentó las bases para alcanzar un rápido progreso inmediatamente después del descubrimiento de Bednorz y Müller. El interés inicial por estos materiales radicó en la alta movilidad del oxígeno a temperaturas elevadas, lo que altera su comportamiento eléctrico, de manera tal que se había sugerido, como una de sus posibles aplicaciones, la de sensor de oxígeno. Muchos estudios han dejado bien claro ahora que las propiedades superconductoras del compuesto de itrio (Y), bario (Ba) y cobre (Cu) (muy ampliamente conocido como el 1-2-3, por su composición: YBa2Cu3Ox) dependen críticamente en la cantidad y en el ordenamiento de oxígeno, que a su vez depende de los detalles del proceso para su obtención.
Por considerarlo de interés, general y para exhibir la sencillez de la preparación de estos materiales, vamos a dar un pequeño resumen de la manera más usual de prepararlos.
Se trata de una reacción de estado sólido que se prepara mezclando polvos de tres ateriales: óxido de itrio (Y2O3), carbonato de bario (BaCO3) y óxido de cobre, (Cu O). Las proporciones de la mezcla son de 1:2:3, tornadas en el orden que las hemos mencionado. Se muele la muestra en un mortero (de ágata, por ejemplo), hasta obtener un grano muy fino. Luego se procede a hornear este polvo para lograr una buena oxidación. Se pueden utilizar crisoles de cuarzo, alúmina o platino. La alúmina parece permanecer inerte, siempre que la temperatura no sobrepase los 1 000°C durante demasiado tiempo. La reacción de estado sólido tiene lugar suavemente en un lapso de 10 a 12 horas, manteniendo la temperatura constante en 900°C. Posteriormente, el polvo se vuelve a moler y se preparan por compresión unas pastillas que luego son horneadas, volviendo a calentarlas por varias horas. El proceso es simple y a veces ha de repetirse varias veces hasta conseguir la formación del compuesto. Hay que tener cuidado de que la presión parcial de oxígeno durante el calentamiento del polvo no sea demasiado baja, de que no se saquen las muestras del horno demasiado pronto, pues de ser así no se encontrará la superconductividad por arriba de la temperatura del nitrógeno líquido.
Las temperaturas de transición más altas y mejor definidas se obtienen cuando la muestra se calienta en una atmósfera de oxígeno y se deja enfriar lentamente desde 900°C hacia la temperatura ambiente en un proceso de varias horas.
La preparación de la muestra 1-2-3 en el seno de una atmósfera inerte evita totalmente la obtención de una muestra superconductora.
En cuanto a las mediciones de las propiedades superconductoras de estas muestras es conveniente señalar lo siguiente.
Las caídas abruptas de la resistividad eléctrica a cero constituyen un indicador pobre, y además peligroso, de la presencia del estado superconductor. Este comportamiento, puede provenir de muchas situaciones que no corresponden a un estado superconductor y que tienen que ser cuidadosamente exploradas antes de emitir conclusión alguna acerca de si se tiene o no un superconductor. Por ejemplo, es común que se encuentre que las caídas abruptas del valor de la resistencia hacia cero se deban a problemas de corto circuitos o, en la técnica de las cuatro puntas que es tan usual para este tipo de mediciones, al problema de las fases eléctricas. En la práctica se encuentra que las muestras que han sido sobreprocesadas y que contienen muchas fases distintas del material son más susceptibles de presentar este tipo de problemas, ya que son tan heterogéneas en su comportamiento eléctrico que pueden llevar a trayectorias alternativas para la corriente entre los electrodos y a resistencias de contacto que varían grandemente con la temperatura.
Por otro lado, se sabe ya que en estos materiales se tienen pares de Cooper. En efecto, el 30 de abril de 1987 se tuvo la evidencia experimental de su presencia. El experimento se realizó en la Universidad de Birmingham, Inglaterra, siguiendo el mismo principio que se utilizó en un experimento realizado en 1961 con el mismo fin. Claro que se empleó equipo más refinado. En esencia, el experimento se refiere a la determinación de la cuantización del flujo magnético que está dada en términos de los portadores de carga del material, que resulta ser de dos veces la carga de un electrón, o lo que es lo mismo, la carga que corresponde a un par de Cooper. Sin embargo, no existe una teoría convincente, hasta el momento, de cómo se forman estos pares de Cooper.
Por otro lado, se ha reportado ya la manera en que el calor específico de estos materiales varía con la temperatura. Se produce de manera muy diferente de como sucede en el caso de los superconductores convencionales. En los superconductores cerámicos el calor específico varía linealmente con la temperatura. En tanto que en el caso de los superconductores convencionales, como ya hemos visto, se da una variación exponencial con la temperatura.
La estructura de estos materiales corresponde a la estructura conocida como perouvskita, que es una estructura típica de los materiales ferroeléctricos. Además, el contenido, de oxígeno parece ser sumamente importante para las propiedades superconductoras.
Uno de los problemas más importantes a resolver en estos materiales y que se ha estudiado poco hasta el momento, es el que se refiere al deterioro del material, pues al transferir un cierto tiempo el material deja de presentar propiedades superconductoras. El tiempo para que esto ocurra es de semanas y depende mucho del tipo de atmósfera en que se conserven las muestras. La complejidad química de los materiales superconductores de alta temperatura crítica implica una estabilidad limitada. De los sistemas de alta Tc, el 1-2-3 es el más susceptible de deterioro, y los de lantano, bario, cobre y oxígeno son de los más estables. El deterioro se puede evitar dando a los materiales un recubierta de protección de un material que no reaccione con la atmósfera circundante.
Como ya se ha mencionado, existe en todo el mundo un enorme interés por estos nuevos materiales. Hay países tercermundistas que han emprendido proyectos nacionales de superconductividad que tienen como fin el estudio y las aplicaciones de estos nuevos materiales que van a tener una tremenda importancia económica en un futuro no lejano. Dentro de esos países contamos a la India y a China. Esta última ya tiene un programa muy competitivo en el ámbito mundial. Por otro lado, varios de los científicos que encabezan actualmente los estudios de fabricación y caracterización de estos materiales son de la India, país que ha decidido invertir una parte apreciable de su producto interno bruto en apoyar su proyecto nacional de superconductividad.
Japón tiene un proyecto nacional de superconductividad desde la década de los setenta. Tal es la relevancia de estos materiales para este país. En 1987 Estados Unidos emprendió también, un programa nacional de superconductividad con un considerable apoyo financiero, tanto gubernamental, como privado.
Sin embargo, el esfuerzo económico más grande no proviene de los gobiernos de los distintos países, sino de la industria privada. Así, varias compañías industriales de Estados Unidos, Japón y naciones de Europa están realizando enormes esfuerzos por utilizar los nuevos materiales superconductores.
Cabe señalar que este descubrimiento científico, calificado ya varias veces de espectacular y esotérico, puede ahora reproducirse, con muy poco dinero (alrededor del equivalente de un salario mínimo mensual) prácticamente en cualquier laboratorio de química o física de una escuela preparatoria, o de nivel equivalente, en nuestro país. Es muy claro que, a lo largo y ancho del mundo hay una actividad cada vez mayor de toda una generación de científicos e ingenieros que se están formando ya con un bagaje cultural que incluye el conocimiento y aplicación de nuevos materiales sobre los cuales volcarán toda su creatividad e ingenio para explotar todas sus posibilidades.