¿Qué es la superconductividad? Materiales que desafían las leyes de la resistencia eléctrica

La superconductividad, descubierta hace más de un siglo, es uno de los fenómenos más fascinantes de la física. Se refiere a la capacidad de ciertos materiales para conducir electricidad sin resistencia a temperaturas extremadamente bajas. Este comportamiento, que parece desafiar las leyes clásicas de la resistencia eléctrica, ha abierto una puerta hacia nuevas aplicaciones en tecnología, desde el desarrollo de potentes imanes en la medicina hasta potenciales avances en la eficiencia energética. Este artículo explora la naturaleza de la superconductividad, cómo ocurre, y los avances en la búsqueda de materiales superconductores a temperatura ambiente.

¿Qué es la superconductividad?

La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico neerlandés Heike Kamerlingh Onnes, quien observó que el mercurio, al ser enfriado cerca del cero absoluto (-273,15 °C o 0 K), experimentaba una caída brusca en su resistencia eléctrica hasta volverse prácticamente nula. En un material superconductor, los electrones pueden fluir sin obstáculos, eliminando las pérdidas de energía que normalmente ocurren debido a la resistencia eléctrica. Esto significa que la corriente eléctrica podría fluir indefinidamente en un circuito cerrado sin necesidad de energía adicional.

Desde este descubrimiento, se ha encontrado que diversos materiales, incluidos metales como el niobio y el plomo, así como algunos óxidos cerámicos, también exhiben superconductividad cuando se enfrían a temperaturas extremadamente bajas. Sin embargo, los mecanismos subyacentes de la superconductividad no fueron comprendidos en su totalidad hasta la década de 1950.

La teoría BCS y el fenómeno de los pares de Cooper

La explicación científica de la superconductividad llegó en 1957 con la teoría BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), que recibió su nombre en honor a sus creadores. Esta teoría describe cómo los electrones en un material superconductor, a bajas temperaturas, forman lo que se conoce como pares de Cooper.

En condiciones normales, los electrones se repelen debido a su carga negativa, pero en un superconductor, estos electrones pueden formar pares de Cooper gracias a las vibraciones de la red cristalina del material, conocidas como fonones. Los pares de Cooper se comportan colectivamente como una sola entidad, lo que permite a los electrones desplazarse sin dispersarse en el material, es decir, sin generar resistencia. Al romperse la resistencia, el material permite el flujo de electricidad sin pérdida de energía.

La superconductividad de alta temperatura: el siguiente gran salto

Durante décadas, la superconductividad solo se había observado en temperaturas cercanas al cero absoluto, hasta que en 1986 un descubrimiento transformó el campo de la física de materiales. Los físicos Karl Müller y Johannes Bednorz hallaron superconductividad en un compuesto de cerámica basado en óxidos de cobre y lantano (conocido como cuprato) a -238 °C, una temperatura notablemente alta en comparación con los superconductores tradicionales. Este descubrimiento fue revolucionario, pues sugería que la superconductividad no se limitaba solo a metales y abrió la puerta al campo de los "superconductores de alta temperatura".

Desde entonces, se han descubierto otros materiales con superconductividad a temperaturas superiores, aunque aún requieren ser enfriados con nitrógeno líquido, a -196 °C, un refrigerante más económico que el helio líquido. Aunque sigue siendo una limitación, los superconductores de alta temperatura son más prácticos para ciertas aplicaciones tecnológicas, ya que el costo de refrigeración es considerablemente menor.

Superconductores a temperatura ambiente: ¿un sueño posible?

Uno de los desafíos científicos más grandes es descubrir o crear un material superconductor que funcione a temperatura ambiente. Esto permitiría revolucionar la industria eléctrica, la computación y los campos de transporte y almacenamiento de energía. En 2020, un equipo de investigadores de la Universidad de Rochester, en Estados Unidos, afirmó haber creado un material basado en hidrógeno, azufre y carbono que exhibía propiedades superconductoras a una temperatura de 15 °C bajo presiones extremadamente altas (267 gigapascales, aproximadamente dos millones de veces la presión atmosférica). Este resultado fue un gran avance en la búsqueda de superconductividad a temperaturas alcanzables sin refrigeración extrema.

Sin embargo, las condiciones de alta presión necesarias para este material plantean desafíos técnicos significativos, ya que son difíciles de mantener en aplicaciones prácticas. A pesar de estas limitaciones, los avances en materiales superconductores a temperatura ambiente generan esperanza en la comunidad científica y en la industria, que espera algún día contar con materiales superconductores sin necesidad de sistemas de enfriamiento costosos y complicados.

Aplicaciones tecnológicas de la superconductividad

La superconductividad tiene diversas aplicaciones en la tecnología moderna, especialmente en campos donde la eficiencia energética y los potentes campos magnéticos son esenciales.

1. Resonancia magnética nuclear (RMN) y equipos de imagen por resonancia magnética (IRM)

Los imanes superconductores se utilizan en equipos de imagen por resonancia magnética (IRM) en hospitales. Estos dispositivos generan potentes campos magnéticos que permiten obtener imágenes detalladas del cuerpo humano. Los superconductores reducen el costo operativo de estos equipos, ya que permiten mantener el campo magnético sin pérdidas de energía.

2. Aceleradores de partículas

Los aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza, dependen de imanes superconductores para guiar las partículas subatómicas a través de largas trayectorias circulares a velocidades cercanas a la luz. Los superconductores son esenciales para alcanzar los niveles de energía requeridos sin pérdidas, y han sido fundamentales en experimentos que buscan responder preguntas fundamentales sobre la naturaleza de la materia y el universo.

3. Almacenamiento y transmisión de energía

La superconductividad también se explora como una solución para mejorar la eficiencia en la transmisión de electricidad. Los cables superconductores pueden transportar grandes cantidades de corriente eléctrica sin pérdidas, lo que podría reducir las pérdidas de energía en redes eléctricas. Además, en aplicaciones de almacenamiento de energía, se están desarrollando dispositivos como bobinas de almacenamiento de energía superconductora (SMES), que permiten almacenar grandes cantidades de energía en forma de campos magnéticos. Esto sería útil en sistemas de energía renovable, donde se requiere almacenar energía de manera eficiente.

4. Maglev: trenes de levitación magnética

Los superconductores también están detrás de la tecnología de los trenes de levitación magnética, o Maglev, que utilizan potentes campos magnéticos para flotar sobre las vías sin contacto físico. Esto reduce la fricción, lo que permite a los trenes alcanzar velocidades extremadamente altas y mejorar la eficiencia energética.

Desafíos y el futuro de la superconductividad

A pesar de los avances en el estudio de los materiales superconductores, existen desafíos significativos. La necesidad de bajas temperaturas sigue siendo una barrera para muchas aplicaciones comerciales. Además, algunos de los superconductores de alta temperatura conocidos son frágiles y difíciles de manejar, lo que limita su uso en entornos industriales.

El descubrimiento de la superconductividad a temperatura ambiente bajo alta presión fue un avance emocionante, pero para hacer que los superconductores sean útiles en un entorno real, se necesita un material que sea superconductor en condiciones normales de presión y temperatura. Los investigadores están explorando diferentes combinaciones de materiales y tecnologías para lograr este objetivo, y se están desarrollando nuevos enfoques como el uso de materiales exóticos y técnicas avanzadas de manipulación de átomos y moléculas.

El futuro

La superconductividad es un fenómeno que desafía las leyes clásicas de la resistencia eléctrica y tiene el potencial de transformar una amplia variedad de industrias. Desde sus primeras observaciones en el mercurio hasta los avances en materiales que alcanzan la superconductividad a temperatura ambiente bajo alta presión, la superconductividad ha recorrido un largo camino. Aunque aún queda un largo camino por recorrer, los avances en este campo podrían llevarnos a un futuro donde la electricidad se transmita sin pérdidas, los dispositivos médicos sean más eficientes y el transporte sea más rápido y sostenible.

El futuro de la superconductividad depende de la innovación en ciencia de materiales y tecnología, y promete un mundo en el que las limitaciones actuales de energía y eficiencia podrían ser superadas.