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Historia de la superconductividad

Número de familias de patentes (en rojo) y publicaciones no patentadas (en azul) sobre superconductividad por año. También se muestran, mediante líneas verticales negras, los pr...

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Número de familias de patentes (en rojo) y publicaciones no patentadas (en azul) sobre superconductividad por año. También se muestran, mediante líneas verticales negras, los principales avances en este campo.

La superconductividad es el fenómeno por el cual ciertos materiales presentan resistencia eléctrica nula y la expulsión de campos magnéticos por debajo de una temperatura característica . La historia de la superconductividad comenzó con el descubrimiento de la superconductividad en el mercurio por la física neerlandesa Heike Kamerlingh Onnes en 1911. Desde entonces, se han descubierto muchos otros materiales superconductores y se ha desarrollado la teoría de la superconductividad. Estos temas siguen siendo áreas de estudio activas en el campo de la física de la materia condensada .

El estudio de la superconductividad tiene una historia fascinante, con varios avances que han acelerado drásticamente la actividad de publicación y patentamiento en este campo, como se muestra en la figura de la derecha y se describe en detalle más adelante. A lo largo de sus más de 100 años de historia, el número de publicaciones anuales sobre superconductividad que no son patentes ha sido diez veces mayor que el número de familias de patentes, lo cual es característico de una tecnología que no ha alcanzado un éxito comercial sustancial (véase Aplicaciones tecnológicas de la superconductividad ).

Con la ayuda de la ecuación de estado de Van der Waals , los parámetros del punto crítico de los gases pudieron predecirse con precisión a partir de mediciones termodinámicas realizadas a temperaturas mucho más elevadas. Heike Kamerlingh Onnes se vio influenciada por el trabajo de Van der Waals. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
En 1908, Heike Kamerlingh Onnes se convirtió en el primero en producir helio líquido , lo que condujo directamente a su descubrimiento de la superconductividad en 1911.
Heike Kamerlingh Onnes (derecha), descubridora de la superconductividad. A su izquierda están Paul Ehrenfest , Hendrik Lorentz y Niels Bohr .

Exploración de fenómenos de frío extremo (hasta 1908)

James Dewar inició la investigación sobre la resistencia eléctrica a bajas temperaturas. Dewar y John Ambrose Fleming predijeron que, a cero absoluto , los metales puros se convertirían en conductores electromagnéticos perfectos (aunque, posteriormente, Dewar modificó su opinión sobre la desaparición de la resistencia, creyendo que siempre existiría cierta resistencia). Walther Hermann Nernst desarrolló la tercera ley de la termodinámica y afirmó que el cero absoluto era inalcanzable. Carl von Linde y William Hampson , ambos investigadores comerciales, solicitaron casi simultáneamente patentes sobre el efecto Joule-Thomson para la licuefacción de gases . La patente de Linde fue la culminación de 20 años de investigación sistemática de hechos establecidos, utilizando un método regenerativo de contracorriente. El diseño de Hampson también se basaba en un método regenerativo. El proceso combinado se conoció como el proceso de licuefacción Hampson-Linde .

Onnes adquirió una máquina Linde para su investigación. El 21 de marzo de 1900, Nikola Tesla obtuvo una patente para un método que permitía aumentar la intensidad de las oscilaciones eléctricas mediante la disminución de la temperatura, lo cual se lograba reduciendo la resistencia. Dicha patente describe el aumento de la intensidad y la duración de las oscilaciones eléctricas de un circuito resonante de baja temperatura . Se cree que Tesla pretendía que la máquina de Linde se utilizara para obtener los agentes refrigerantes.

El 10 de julio de 1908 se alcanzó un hito cuando Heike Kamerlingh Onnes, de la Universidad de Leiden en los Países Bajos, produjo por primera vez helio líquido , que tiene un punto de ebullición de 4,2 K (−269 °C) a presión atmosférica.  

Desaparición repentina y fundamental

Heike Kamerlingh Onnes y Jacob Clay reinvestigaron los experimentos anteriores de Dewar sobre la reducción de la resistencia a bajas temperaturas. Onnes comenzó las investigaciones con platino y oro , reemplazándolos posteriormente con mercurio (un material más fácilmente refinable). La investigación de Onnes sobre la resistividad del mercurio sólido a temperaturas criogénicas se llevó a cabo utilizando helio líquido como refrigerante. El 8 de abril de 1911, a las 16:00 horas, Onnes anotó "Kwik nagenoeg nul", que se traduce como "[Resistencia del] mercurio casi cero". [ 4 ] A la temperatura de 4,19 K, observó que la resistividad desaparecía abruptamente (el dispositivo de medición que Onnes estaba utilizando no indicaba ninguna resistencia). Onnes reveló su investigación en 1911, en un artículo titulado " Sobre la velocidad repentina a la que desaparece la resistencia del mercurio ". Onnes afirmó en ese artículo que la "resistencia específica" se volvió miles de veces menor en cantidad en relación con el mejor conductor a temperatura ordinaria. Posteriormente, Onnes revirtió el proceso y descubrió que, a 4,2 K, la resistencia volvía a ser la misma que la del material. Al año siguiente, publicó más artículos sobre el fenómeno. Inicialmente, lo denominó « supraconductividad » (1913) y, más tarde, adoptó el término « superconductividad ». Por su investigación, recibió el Premio Nobel de Física en 1913.

En 1912, Onnes realizó un experimento sobre la utilidad de la superconductividad. Introdujo una corriente eléctrica en un anillo superconductor y retiró la batería que la generaba. Al medir la corriente, Onnes observó que su intensidad no disminuía con el tiempo. [ 5 ] La corriente se mantuvo constante debido al estado superconductor del medio conductor.

En las décadas siguientes, se descubrió la superconductividad en otros materiales; en 1913, en el plomo a 7 K; en la década de 1930, en el niobio a 10 K; y en 1941, en el nitruro de niobio a 16 K.

Enigmas y soluciones (1933–1979)

El siguiente paso importante para comprender la superconductividad se produjo en 1933, cuando Walther Meissner y Robert Ochsenfeld descubrieron que los superconductores expulsaban los campos magnéticos aplicados, un fenómeno que se conoce como el efecto Meissner . En 1935, los hermanos Fritz London y Heinz London demostraron que el efecto Meissner era consecuencia de la minimización de la energía libre electromagnética transportada por la corriente superconductora.

En 1937, Lev Shubnikov descubrió un nuevo tipo de superconductores (más tarde denominados superconductores de tipo II ) que presentaban una fase mixta entre las propiedades ordinarias y las superconductoras.

En 1950, Lev Landau y Vitaly Ginzburg desarrollaron la teoría fenomenológica de Ginzburg-Landau sobre la superconductividad . Esta teoría, que combinaba la teoría de Landau sobre las transiciones de fase de segundo orden con una ecuación de onda tipo Schrödinger , tuvo un gran éxito explicando las propiedades macroscópicas de los superconductores. En particular, Alexei Abrikosov demostró que la teoría de Ginzburg-Landau predice la división de los superconductores en las dos categorías que ahora se conocen como superconductividad de tipo I y tipo II . Abrikosov y Ginzburg recibieron el Premio Nobel de Física de 2003 por su trabajo (Landau había fallecido en 1968). También en 1950, Emanuel Maxwell y, casi simultáneamente, CA Reynolds et al. descubrieron que la temperatura crítica de un superconductor depende de la masa isotópica del elemento constituyente . Este importante descubrimiento señaló la interacción electrón-fonón como el mecanismo microscópico responsable de la superconductividad. 

En el ámbito experimental, las colaboraciones de Bernd T. Matthias en la década de 1950 con John Kenneth Hulm y Theodore H. Geballe condujeron al descubrimiento de cientos de superconductores de baja temperatura mediante una técnica basada en el efecto Meissner. Gracias a su experiencia, en 1954 formuló las reglas de Matthias , un conjunto de directrices empíricas para la detección de este tipo de superconductores. [ 6 ]

teoría BCS

La teoría microscópica completa de la superconductividad fue finalmente propuesta en 1957 por John Bardeen , Leon N. Cooper y Robert Schrieffer . Esta teoría BCS explicaba la corriente superconductora como un superfluido de pares de Cooper , pares de electrones que interactúan mediante el intercambio de fonones . Por este trabajo, los autores recibieron el Premio Nobel de Física en 1972. La teoría BCS se consolidó en 1958, cuando Nikolay Bogolyubov demostró que la función de onda BCS, que originalmente se había derivado de un argumento variacional, podía obtenerse mediante una transformación canónica del hamiltoniano electrónico . En 1959, Lev Gor'kov demostró que la teoría BCS se reducía a la teoría de Ginzburg-Landau cerca de la temperatura crítica. Gor'kov fue el primero en derivar la ecuación de evolución de la fase superconductora.2miV=ℏ∂ϕ∂t{\displaystyle 2eV=\hbar {\frac {\partial \phi }{\partial t}}}.

Efecto Little-Parks

El efecto Little-Parks se descubrió en 1962 mediante experimentos con cilindros superconductores vacíos y de paredes delgadas sometidos a un campo magnético paralelo . La resistencia eléctrica de dichos cilindros presenta una oscilación periódica con el flujo magnético que los atraviesa, con un periodo de h /2e =  2,07 × 10⁻¹⁵ V·s. La explicación proporcionada por William Little y Ronald Parks es que la oscilación de la resistencia refleja un fenómeno más fundamental: la oscilación periódica de la temperatura crítica de superconductividad ( Tc ) . Esta es la temperatura a la que la muestra se vuelve superconductora. El efecto Little-Parks es resultado del comportamiento cuántico colectivo de los electrones superconductores. Refleja el hecho general de que en los superconductores es el fluxoide, y no el flujo, el que se cuantiza. El efecto Little-Parks demuestra que el potencial vectorial se acopla a una magnitud física observable: la temperatura crítica de superconductividad.

Actividad comercial

Poco después de descubrir la superconductividad en 1911, Kamerlingh Onnes intentó fabricar un electroimán con bobinados superconductores, pero descubrió que campos magnéticos relativamente bajos destruían la superconductividad en los materiales que investigaba. Mucho más tarde, en 1955, George Yntema logró construir un pequeño electroimán de núcleo de hierro de 0,7 teslas con bobinados de alambre de niobio superconductor. [ 7 ] Luego, en 1961, JE Kunzler , E. Buehler, FSL Hsu y JH Wernick hicieron el sorprendente descubrimiento de que, a 4,2 kelvin, un compuesto formado por tres partes de niobio y una 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 teslas. [ 8 ] A pesar de ser frágil y difícil de fabricar, el niobio-estaño ha demostrado ser extremadamente útil en superimanes que generan campos magnéticos de hasta 20 teslas. En 1962, Ted Berlincourt y Richard Hake descubrieron que las aleaciones menos frágiles de niobio y titanio son adecuadas para aplicaciones de hasta 10 teslas. [ 9 ] [ 10 ] Inmediatamente después, la producción comercial de alambre supermagnético de niobio-titanio comenzó en Westinghouse Electric Corporation y en Wah Chang Corporation . Aunque el niobio-titanio posee propiedades superconductoras menos impresionantes que las del niobio-estaño, se ha convertido, no obstante, en el material supermagnético más utilizado, en gran medida como consecuencia de su alta ductilidad y facilidad de fabricación. Sin embargo, tanto el niobio-estaño como el niobio-titanio encuentran amplia aplicación en imágenes médicas de resonancia magnética, imanes de flexión y enfoque para enormes aceleradores de partículas de alta energía y una multitud de otras aplicaciones. Conectus, un consorcio europeo para la superconductividad, estimó que en 2014 la actividad económica mundial, para la cual la superconductividad era indispensable, ascendió a unos cinco mil millones de euros, y los sistemas de resonancia magnética representaron aproximadamente el 80% de ese total.

En 1962, Brian Josephson realizó la importante predicción teórica de que una supercorriente puede fluir entre dos piezas de superconductor separadas por una fina capa aislante. Este fenómeno, ahora conocido como efecto Josephson , es aprovechado por dispositivos superconductores como los SQUID . Se utiliza en las mediciones más precisas disponibles del cuanto de flujo magnético h /2e y , por lo tanto (junto con la resistividad cuántica de Hall ), de la constante de Planck h . Josephson fue galardonado con el Premio Nobel de Física por este trabajo en 1973.

En 1973 NbSe descubrió que el Geteníauna TcTcmás alta a presión ambientehasta el descubrimiento de los superconductores de alta temperatura de cuprato en 1986 (véase más abajo).

Superconductividad no convencional.

Primeros superconductores no convencionales

En 1979, se descubrieron dos nuevas clases de superconductores que no podían explicarse mediante la teoría BCS: superconductores de fermiones pesados ​​y superconductores orgánicos . [ 11 ]

El primer superconductor de fermiones pesados , CeCu₂Si₂ , fue descubierto por Frank Steglich . [ 12 ] Desde entonces , se han encontrado más de 30 superconductores de fermiones pesados ​​(en materiales basados ​​en Ce y U), con una temperatura crítica de hasta 2,3 K (en CeCoIn₅ ) . [ 13 ]

Klaus Bechgaard y Denis Jérôme sintetizaron el primer superconductor orgánico (TMTSF) 2 PF 6 (la clase de material correspondiente recibió su nombre posteriormente) con una temperatura de transición de T C = 0,9 K, a una presión externa de 11 kbar. [ 14 ]

Superconductores de alta temperatura

Cronología de los superconductores

En 1986, J.  Georg Bednorz y K.  Alex Mueller descubrieron la superconductividad en un material de perovskita de cuprato a base de lantano , que tenía una temperatura de transición de 35 K (Premio Nobel de Física, 1987) y fue el primero de los superconductores de alta temperatura . Poco después se descubrió (por Ching-Wu Chu ) que al reemplazar el lantano por itrio , es decir, al crear YBCO , la temperatura crítica aumentaba a 92 K, lo cual era importante porque el nitrógeno líquido podía utilizarse como refrigerante (a presión atmosférica, el punto de ebullición del nitrógeno es de 77 K). Esto es importante comercialmente porque el nitrógeno líquido se puede producir de forma económica in situ sin materias primas y no es propenso a algunos de los problemas (obstrucciones de aire sólido, etc.) del helio en las tuberías. Desde entonces se han descubierto muchos otros superconductores de cuprato, y la teoría de la superconductividad en estos materiales es uno de los principales retos pendientes de la física teórica de la materia condensada .

En marzo de 2001, se descubrió la superconductividad del diboruro de magnesio ( MgB2 ) se encontró conTc= 39 K.

En 2008, se descubrieron los superconductores de oxipnicturo o basados ​​en hierro , lo que dio lugar a una intensa actividad con la esperanza de que su estudio proporcionara una teoría sobre los superconductores de cuprato.

En 2013, se logró la superconductividad a temperatura ambiente en YBCO durante picosegundos, utilizando pulsos cortos de luz láser infrarroja para deformar la estructura cristalina del material. [ 15 ]

En 2017 se sugirió que materiales superduros no descubiertos (por ejemplo, titanio beta dopado críticamente, Au) podrían ser candidatos para un nuevo superconductor con Tc, sustancialmente más alto que HgBaCuO (138 K), posiblemente hasta 233 K, que sería incluso más alto que H₂S . Muchas investigaciones sugieren que, además, el níquel podría reemplazar al cobre en algunas perovskitas, ofreciendo otra vía para alcanzar la temperatura ambiente. También se pueden usar materiales dopados con Li⁺, es decir, el material de batería de espinela LiTi₂Oₓ y la presión de la red puede aumentar Tc a más de 13,8 K. También se ha teorizado que LiHₓ se metaliza a una presión sustancialmente menor que H y podría ser un candidato para un superconductor de tipo 1. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]

Publicaciones históricas

Artículos de HK Onnes

  • "La resistencia del mercurio puro a temperaturas de helio". Comisión de Leiden . 28 de abril de 1911.
  • "La desaparición de la resistividad del mercurio". Comisión de Leiden . 27 de mayo de 1911.
  • "Sobre el cambio repentino en la velocidad a la que desaparece la resistencia del mercurio". Comisión de Leiden . 25 de noviembre de 1911.
  • "La imitación de una corriente molecular de amperio o de un imán permanente mediante un supraconductor". Comunicación de Leiden . 1914.

teoría BCS

  • Bardeen, J.; Cooper, LN; Schrieffer, JR (1957-12-01). "Teoría de la superconductividad" . Physical Review . 108 (5). American Physical Society (APS): 1175– 1204. Bibcode : 1957PhRv..108.1175B . doi : 10.1103/physrev.108.1175 . ISSN 0031-899X . S2CID 73661301 .  

Otros documentos clave

  • Meissner, W.; Ochsenfeld, R. (1933). "Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit". Die Naturwissenschaften (en alemán). 21 (44). Springer Science and Business Media LLC: 787– 788. Bibcode : 1933NW.....21..787M . doi : 10.1007/bf01504252 . ISSN 0028-1042 . S2CID 37842752 .  
  • F. London y H. London, "Las ecuaciones electromagnéticas del supraconductor", Proc. Roy. Soc. (Londres) A149 , 71 (1935), ISSN 0080-4630 .
  • VL Ginzburg y LD Landau, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 20 , 1064 (1950)
  • Maxwell, Emanuel (15 de mayo de 1950). "Efecto isotópico en la superconductividad del mercurio". Physical Review . 78 (4). American Physical Society (APS): 477. Bibcode : 1950PhRv...78..477M . doi : 10.1103/physrev.78.477 . ISSN 0031-899X . 
  • Reynolds, CA; Serin, B.; Wright, WH; Nesbitt, LB (15 de mayo de 1950). "Superconductividad de isótopos de mercurio". Physical Review . 78 (4). American Physical Society (APS): 487. Bibcode : 1950PhRv...78..487R . doi : 10.1103/physrev.78.487 . ISSN 0031-899X . 
  • AA Abrikosov, "Sobre las propiedades magnéticas de los superconductores del segundo grupo", Física Soviética JETP 5 , 1174 (1957)
  • Little, WA; Parks, RD (1962-07-01). "Observación de periodicidad cuántica en la temperatura de transición de un cilindro superconductor". Physical Review Letters . 9 (1). American Physical Society (APS): 9– 12. Bibcode : 1962PhRvL...9....9L . doi : 10.1103/physrevlett.9.9 . ISSN 0031-9007 . 
  • Josephson, BD (1962). "Posibles nuevos efectos en el efecto túnel superconductor". Physics Letters . 1 (7). Elsevier BV: 251– 253. Bibcode : 1962PhL.....1..251J . doi : 10.1016/0031-9163(62)91369-0 . ISSN 0031-9163 . 

Patentes

  • Tesla, Nikola, Patente estadounidense 685.012 " Medios para aumentar la intensidad de las oscilaciones eléctricas ", 21 de marzo de 1900.

Véase también

  1. ↑ Shachtman, Tom: El cero absoluto y la conquista del frío . (Boston: Houghton Mifflin, 1999)
  2. ↑ Sengers, Johanna Levelt: Cómo se mezclan los fluidos: descubrimientos de la escuela de Van der Waals y Kamerlingh Onnes . (Ámsterdam : Koninklijke Nerlandse Akademie van Wetenschappen, 2002)
  3. ↑ Van Delft, Dirk: Física helada: Heike Kamerlingh Onnes y la búsqueda del frío . (Ámsterdam: Koninklijke Nerlandse Akademie van Wetenschappen, 2008)
  4. ↑ El descubrimiento de la superconductividad
  5. ↑ VL Ginzburg, EA Andryushin (2004). Superconductividad . World Scientific. ISBN 978-981-238-913-8.
  6. ↑ Geballe, TH; Hulm, JK (1996). Bernd Theodor Matthias 1918-1990 (PDF) . Academia Nacional de Ciencias.
  7. ↑ GB Yntema, “Superconducting Winding for Electromagnet”, Phys. Rev. 98, 1197 (1955).
  8. ↑ JE Kunzler, E. Buehler, FSL Hsu y JH Wernick, “Superconductividad en Nb 3 Sn a alta densidad de corriente en un campo magnético de 88 kgauss”, Phys. Rev. Lett. 6, 89 (1961).
  9. ↑ TG Berlincourt y RR Hake, “Estudios de campos magnéticos pulsados ​​de aleaciones de metales de transición superconductoras a densidades de corriente altas y bajas”, Bull. Am. Phys. Soc. II 7, 408 (1962).
  10. ↑ TG Berlincourt, “Surgimiento del Nb-Ti como material supermagnético”, Cryogenics 27, 283 (1987).
  11. ↑ Sigrist, Manfred (2005). "Introducción a la superconductividad no convencional" . AIP Conference Proceedings . 789. AIP: 165–243 . Bibcode : 2005AIPC..789..165S . doi : 10.1063/1.2080350 .
  12. ↑ Steglich, F.; Aarts, J.; Bredl, CD; Lieke, W.; Meschede, D.; Franz, W.; Schäfer, H. (1979). "Superconductividad en presencia de fuerte paramagnetismo de Pauli: CeCu 2 Si 2 ". Cartas de revisión física . 43 (25): 1892–1896 . Bibcode : 1979PhRvL..43.1892S . doi : 10.1103/PhysRevLett.43.1892 . hdl : 1887/81461 . S2CID 123497750 . 
  13. ↑ Petrovic, C.; Pagliuso, PG; Hundley, MF; Movshovich, R.; Sarrao, JL ; Thompson, JD; Fisk, Z.; Monthoux, P. (2001). "Superconductividad de fermiones pesados ​​en CeCoIn 5 a 2,3 K". Journal of Physics: Condensed Matter . 13 (17): L337. arXiv : cond-mat/0103168 . Bibcode : 2001JPCM...13L.337P . doi : 10.1088/0953-8984/13/17/103 . S2CID 59148857 . 
  14. ^ Jerónimo, D.; Mazaud, A.; Ribault, M.; Bechgaard, K. (1980). "Superconductividad en un conductor orgánico sintético (TMTSF) 2PF 6" . Revista de Physique Lettres . 41 (4): 95– 98. doi : 10.1051/jphyslet:0198000410409500 .
  15. ^ Mankowsky, R.; Subedi, A.; Först, M.; et al. (3 de diciembre de 2014). "Dinámica reticular no lineal como base para una superconductividad mejorada en YBa 2 Cu 3 O 6,5 " . Naturaleza . 516 (1): 71– 73. arXiv : 1405.2266 . Código Bib : 2014Natur.516...71M . doi : 10.1038/naturaleza13875 . hdl : 11858/00-001M-0000-0024-BE57-7 . PMID 25471882 . S2CID 3127527 .   
  16. ↑ "Níquel para reflexionar: Un compuesto muestra potencial para la superconductividad a alta temperatura" . phys.org. 16 de junio de 2017. Consultado el 2 de agosto de 2017 .
  17. ↑ "Análisis de la superficie del titanato de litio" . Universidad de Tohoku. 4 de julio de 2017. Consultado el 2 de agosto de 2017 .
  18. ↑ "Un laboratorio descubre una aleación de titanio y oro cuatro veces más dura que la mayoría de los aceros" . phys.org. 20 de julio de 2016. Consultado el 2 de agosto de 2017 .
  19. ↑ Overhauser, AW (1987). "Hidruros de metales ligeros como posibles superconductores de alta temperatura". International Journal of Modern Physics B . 01 (3n04): 927– 930. Bibcode : 1987IJMPB...1..927O . doi : 10.1142/S0217979287001328 .
  • Heike Kamerlingh Onnes, " Investigaciones sobre las propiedades de las sustancias a bajas temperaturas, que han llevado, entre otras cosas, a la preparación del helio líquido ", Conferencia Nobel, 11 de diciembre de 1913.
  • M. Tinkham, Introducción a la superconductividad , 2.ª ed., McGraw-Hill, Nueva York, 1996, ISBN 0-486-43503-2
  • T. Shachtman, El cero absoluto y la conquista del frío , Houghton Mifflin Co., 1999, ISBN 0-395-93888-0
  • J. Matricon, G. Waysand y C. Glashausser, Las Guerras Frías: Una historia de la superconductividad , Rutgers University Press, 2003, ISBN 0-8135-3295-7
  • J. Schmalian, Teorías fallidas de la superconductividad