Superconductivitat

De Viquipèdia

La superconductivitat és la capacitat intrínseca que posseeixen certs materials per conduir el corrent elèctric amb resistència nul·la en determinades condicions. La superconductivitat es dóna per sota d'una determinada temperatura; no obstant això, no és suficient amb refredar el material, també és necessari no excedir un corrent crític ni un camp magnètic crític per poder mantenir l'estat superconductor. Aquesta propietat va ser descoberta en 1911 pel físic holandès Heike Kamerlingh Onnes, quan va observar que la resistència elèctrica del mercuri desapareixia quan el refredava a 4 K (-269 °C).

El fenomen es produeix en diversos materials: des d'elements simples, com l'estany i l'alumini, a semiconductors molt dopats i determinats compostos ceràmics que contenen plans d'àtoms de coure i oxigen. No es produeix en metalls com l'or o la plata ni en la majoria de metalls ferromagnètics.

La superconductivitat és un efecte purament quàntic, i no es pot entendre extrapolant les lleis clàssiques de la conductivitat elèctrica i l'electromagnetisme. Actualment, si bé es comprèn perfectament a nivell teòric el fenomen convencional de la superconductivitat, encara no es disposa d'una explicació teòrica per a la superconductivitat d'alta temperatura, descoberta el 1987 i que apareix en la majoria de cuprats.

[edita] Fenòmens bàsics

[edita] Efecte Meissner

Levitació d'un imant sobre un material superconductor, a causa de l'efecte Meissner.

Quan es col·loca un superconductor en un camp magnètic extern H relativament feble, el camp penetra dins el superconductor només una petita distància λ, anomenada profunditat de penetració, més enllà de la qual cau ràpidament a zero. Aquest fet s'anomena efecte Meissner i és característic de la superconductivitat. Per a la majoria de superconductors λ és de l'ordre de 100 nm.

L'efecte Meissner desapareix quan el camp magnètic és massa intens. Segons com es produeix aquesta desaparició els superconductors es divideixen en dos grups. En els superconductors de tipus I la superconductivitat desapareix sobtadament quan la intensitat del camp magnètic supera un cert valor crític H_c. Segons la geometria de la mostra es pot obtenir un estat intermedi amb regions normals amb camp magnètic mesclades amb regions superconductores sense camp. La majoria de superconductors elementals purs (excepte el niobi, el tecneci, el vanadi i els nanotubs de carboni) són de tipus I.

En els superconductors de tipus II, quan el camp magnètic sobrepassa el valor H_c1 apareix un estat mesclat en què cada vegada més camp magnètic penetra en el material, però segueix havent-hi resistència elèctrica nul·la sempre que el corrent no sigui massa intens. Quan es sobrepassa un segon valor H_c2, superior al primer, la superconductivitat es destrueix del tot. L'estat mesclat és produit en realitat per vòrtexs de camp en els supercorrents, a vegades anomenats fluxons, ja que el seu flux està quantitzat. Gairebé tots els superconductors compostos i impurs són de tipus II.

[edita] Resistència nul·la

L'aparició de l'estat superconductor és deguda a la capacitat del material de crear supercorrents. Aquests són corrents d'electrons que no dissipen energia, de manera que es poden mantenir eternament sense perdre energia per generació de calor (efecte Joule). Els corrents creen l'intens camp magnètic necessari per a sustentar l'efecte Meissner. Aquests mateixos corrents permeten transmetre energia sense despesa energètica, l'efecte més espectacular d'aquest tipus de materials. Degut al fet que la quantitat d'electrons superconductors és finita, la quantitat de corrent que pot suportar el material és limitada. Per tant, existeix un corrent crític a partir del qual el material deixa de ser superconductor i comença a dissipar energia.

En un material conductor normal el corrent elèctric es pot considerar com un flux d'electrons movent-se per una xarxa d'ions pesats i els xocs dels electrons amb els ions de la xarxa són l'origen de la resistència elèctrica i, per tant, de la pèrdua de part de l'energia en forma de calor (efecte Joule). En un superconductor la situació és diferent; en els superconductors de tipus I els electrons s'aparellen formant els anomenats parells de Cooper. Aquesta unió s'aconsegueix mitjançant l'intercanvi de fonons (és a dir, que s'uneixen gràcies a les vibracions de la xarxa cristal·lina). Els parells de Cooper es comporten com una sola partícula d'spin enter (un bosó, doncs) i no estan sotmesos al principi d'exclusió de Pauli, de manera que es poden desplaçar sense interaccionar amb els ions de la xarxa. Es pot demostrar que aquest parell de Cooper només podrà ser excitat amb una energia E que és superior a l'energia tèrmica de la xarxa (que és igual a kT, on k és la constant de Boltzmann i T la temperatura). Això vol dir que per sota d'una certa temperatura els ions de la xarxa no podran intercanviar energia amb els electrons i aquests passaran a través del material sense perdre energia: la resistència al pas dels electrons haurà desaparegut.

En els superconductors de tipus II apareix una petita resistivitat a temperatures no gaire per sota de la temperatura crítica quan s'hi aplica corrent elèctric juntament amb un camp magnètic intens (que pot ser causat pel mateix corrent). Això és degut al moviment dels vòrtexs, que dissipa part de l'energia del corrent.

[edita] Transició de fase superconductora

Problema no resolt en Física: Quin és el mecanisme físic que explica la superconductivitat d'alta temperatura? Per què la teoria BCS no pot explicar-la?

En els materials superconductors aquest estat apareix quan la temperatura T disminueix per sota d'una certa temperatura crítica, T_c, que és característica de cada material. Els superconductors de tipus I tenen temperatures crítiques que poden ser menors que 1 K fins als 20 K aproximadament. El 2001 la màxima temperatura de transició d'un superconductor de tipus I era de 39 K (per al diborur de magnesi, MgB₂). Els cuprats tenen temperatures crítiques molt superiors: YBa₂Cu₃O₇, un dels primers cuprats superconductors que es van descobrir, té una T_c de 92 K i els cuprats basats en mercuri arriben a temperatures crítiques superiors a 130 K. L'explicació d'aquesta superconductivitat a tan alta temperatura roman un misteri.

L'aparició de la superconductivitat s'acompanya de canvis sobtats en diverses propietats físiques, evidència d'una transició de fase. Per exemple, la capacitat calorífica electrònica és proporcional a la temperatura en l'estat normal; durant la transició superconductora s'observa un salt brusc i posteriorment deixa de ser lineal: a baixes temperatures varia com e^−α/T.

[edita] Teoria de la superconductivitat

Des del descobriment de la superconductivitat s'han dedicat molts esforços a determinar el mecanisme físic que la provoca. Durant la dècada de 1950 s'arribà a una comprensió sòlida de la superconductivitat convencional, mitjançant dues teories importants: la teoria de Ginzburg-Landau (1950), de caràcter fenomenològic, i la teoria BCS (1957), que descriu el procés bàsic de formació dels parells de Cooper i l'aparició de la superconductivitat.

Després del descobriment el 1987 dels superconductors d'alta temperatura s'intentà generalitzar la teoria BCS per incloure el nou fenomen, però de moment tots els intents han estat infructuosos i és possible que hi entri en joc algun altre mecanisme no considerat.