Historia de la superconductividad

La superconductividad es el fenómeno de ciertos materiales que exhiben resistencia eléctrica cero 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 mercurio por parte del físico holandés 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 activas de estudio en el campo de la física de la materia condensada.

Explorando fenómenos ultrafríos (hasta 1908)

James Dewar inició la investigación de la resistencia eléctrica a bajas temperaturas. Dewar y John Ambrose Fleming predijeron que en el cero absoluto, los metales puros se convertirían en perfectos conductores electromagnéticos (aunque, más tarde, Dewar cambió su opinión sobre la desaparición de la resistencia, creyendo que siempre habría algo de 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 patentes casi al mismo tiempo sobre el efecto Joule-Thomson para la licuefacción de gases. La patente de Linde fue el clímax de 20 años de investigación sistemática de hechos establecidos, utilizando un método de contraflujo regenerativo. Los diseños de Hampson también tenían un método regenerativo.

Onnes compró una máquina Linde para su investigación. El 21 de marzo de 1900, a Nikola Tesla se le otorgó una patente para aumentar la intensidad de las oscilaciones eléctricas mediante la disminución de la temperatura, lo que fue causado por la disminución de la resistencia. Dentro de esta patente describe la mayor intensidad y duración de las oscilaciones eléctricas de un circuito resonante de baja temperatura. Se cree que Tesla tenía la intención de que la máquina de Linde se utilizara para obtener los agentes refrigerantes.

El 10 de julio de 1908 se logró un hito cuando Heike Kamerlingh Onnes en la Universidad de Leiden en los Países Bajos produjo, por primera vez, helio licuado, que tiene un punto de ebullición de 4,2 Kelvin a presión atmosférica.

Desaparición súbita y fundamental

Heike Kamerlingh Onnes y Jacob Clay volvieron a investigar los experimentos anteriores de Dewar sobre la reducción de la resistencia a bajas temperaturas. Onnes comenzó las investigaciones con platino y oro, reemplazándolos más tarde con mercurio (un material más fácilmente refinado). La investigación de Onnes sobre la resistividad del mercurio sólido a temperaturas criogénicas se logró 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". A la temperatura de 4,19 K, observó que la resistividad desaparecía abruptamente (el dispositivo de medición que Onnes estaba usando no indicaba ninguna resistencia). Onnes dio a conocer su investigación en 1911, en un artículo titulado "Onnes declaró en ese artículo que la "resistencia específica" se volvió miles de veces menor en cantidad en relación con el mejor conductor a temperatura ordinaria. Más tarde, Onnes invirtió el proceso y descubrió que a 4,2 K, la resistencia regresaba al material. Al año siguiente, Onnes publicó más artículos sobre el fenómeno. Inicialmente, Onnes llamó al fenómeno " supraconductividad " (1913) y, solo más tarde, adoptó el término " superconductividad". Por sus investigaciones, fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1913.

Onnes realizó un experimento, en 1912, sobre la utilidad de la superconductividad. Onnes introdujo una corriente eléctrica en un anillo superconductor y extrajo la batería que la generaba. Al medir la corriente eléctrica, Onnes encontró que su intensidad no disminuía con el tiempo. La corriente persistió debido al estado superconductor del medio conductor.

En décadas posteriores, se encontró superconductividad en varios otros materiales; En 1913, plomo a 7 K, en 1930 niobio a 10 K y en 1941 nitruro de niobio a 16 K.

Enigmas y soluciones (1933–)

El siguiente paso importante en la comprensión de la superconductividad ocurrió en 1933, cuando Walther Meissner y Robert Ochsenfeld descubrieron que los superconductores expulsaban campos magnéticos aplicados, un fenómeno que se conoce como 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 1950, Lev Landau y Vitaly Ginzburg desarrollaron la teoría fenomenológica de la superconductividad de Ginzburg-Landau.

La teoría de Ginzburg-Landau, que combinaba la teoría de las transiciones de fase de segundo orden de Landau con una ecuación de onda similar a la de Schrödinger, tuvo un gran éxito al explicar 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 denominan Tipo I y Tipo II. Abrikosov y Ginzburg recibieron el Premio Nobel de Física 2003 por su trabajo (Landau murió en 1968). También en 1950, Emanuel Maxwell y, casi simultáneamente, CA Reynolds et al. descubrió que la temperatura crítica de un superconductor depende de la masa isotópica del elemento constituyente. Este importante descubrimiento apuntó a la interacción electrón-fonón como el mecanismo microscópico responsable de la superconductividad.

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 a través del intercambio de fonones. Por este trabajo, los autores recibieron el Premio Nobel de Física en 1972. La teoría BCS se estableció sobre una base más firme en 1958, cuando Nikolay Bogolyubov demostró que se podía obtener la función de onda BCS, que originalmente se había derivado de un argumento variacional. utilizando 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 fase superconductora .

Efecto Little-Parks

El efecto Little-Parks se descubrió en 1962 en experimentos con cilindros superconductores vacíos y de paredes delgadas sometidos a un campo magnético paralelo. La resistencia eléctrica de tales cilindros muestra una oscilación periódica con el flujo magnético a través del cilindro, siendo el período h /2 e = 2,07 × 10 V·s. La explicación proporcionada por William Little y Ronald Parks es que la oscilación de la resistencia refleja un fenómeno más fundamental, es decir, la oscilación periódica de la temperatura crítica superconductora (T _c). Esta es la temperatura a la que la muestra se vuelve superconductora. El efecto Little-Parks es el resultado del comportamiento cuántico colectivo de los electrones superconductores. Refleja el hecho general de que es el flujoide y no el flujo el que se cuantifica en los superconductores. El efecto Little-Parks demuestra que el vector potencial se acopla a una cantidad física observable, a saber, la temperatura crítica superconductora.

Actividad comercial

Poco después de descubrir la superconductividad en 1911, Kamerlingh Onnes intentó fabricar un electroimán con devanados superconductores, pero descubrió que los 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. Luego, en 1961, JE Kunzler, E. Buehler, FSL Hsu y JH Wernickhizo el sorprendente descubrimiento de que a 4,2 kelvins, un compuesto formado por tres partes de niobio y una parte 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. A pesar de ser frágil y difícil de fabricar, desde entonces el niobio-estaño ha demostrado ser extremadamente útil en superimanes que generan campos magnéticos de hasta 20 teslas. En 1962, Ted Berlincourt y Richard Hakedescubrió que las aleaciones menos frágiles de niobio y titanio son adecuadas para aplicaciones de hasta 10 teslas. Inmediatamente después, comenzó la producción comercial de alambre supermagnético de niobio-titanio en Westinghouse Electric Corporation y en Wah Chang Corporation. Aunque el niobio-titanio cuenta con propiedades superconductoras menos impresionantes que las del niobio-estaño, el niobio-titanio se ha convertido, sin embargo, en el material de superimán "caballo de batalla" más utilizado, en gran medida como consecuencia de su muy alta ductilidad y facilidad de fabricación. Sin embargo, tanto el niobio-estaño como el niobio-titanio encuentran una amplia aplicación en los generadores de imágenes médicas de resonancia magnética, imanes de flexión y enfoque para enormes aceleradores de partículas de alta energía y muchas otras aplicaciones. Conectus, un consorcio europeo para la superconductividad, estimó que en 2014, la actividad económica global,

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

En 1973 Nb₃Se encontró que Ge tenía una Tc de 23 K, que siguió siendo la Tc de presión ambiental más alta _{hasta el descubrimiento de} los superconductores de alta temperatura de cuprato en 1986 (ver más abajo).

Superconductores de alta temperatura

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. En breve se encontró (por Ching-Wu Chu) que reemplazando el lantano con itrio, es decir, haciendo YBCO, elevó la temperatura crítica a 92 K, lo cual fue importante porque el nitrógeno líquido podría usarse como refrigerante (a presión atmosférica, el punto de ebullición punto de nitrógeno es 77 K). Esto es importante desde el punto de vista comercial porque el nitrógeno líquido se puede producir de forma económica in situ sin materias primas y no es propenso a algunos de los problemas (tapones de aire sólidos, etc.) del helio en las tuberías. Desde entonces se han descubierto muchos otros superconductores de cuprato,

En marzo de 2001, la superconductividad del diboruro de magnesio (MgB₂) se encontró con T _c = 39 K.

En 2008, se descubrieron los superconductores a base de hierro o oxipnictida, lo que condujo a una oleada de trabajo con la esperanza de que estudiarlos proporcionara una teoría de 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.

En 2017, se sugirió que los materiales superduros no descubiertos (por ejemplo, beta-titanio Au dopado críticamente) 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 H ₂ S. Muchas investigaciones sugieren que, además, el níquel podría reemplazar al cobre en algunas perovskitas, ofreciendo otra ruta hacia la temperatura ambiente. También se pueden usar materiales dopados con Li+, es decir, el material de la batería de espinela LiTi ₂ O _x y la presión de la red puede aumentar la Tc a más de 13,8 K. También se ha teorizado que el LiHx se metaliza a una presión sustancialmente más baja que el H y podría ser un candidato para un Superconductor tipo 1.

Publicaciones históricas

Documentos de HK Onnes

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

Teoría BCS

• J. Bardeen, LN Cooper y JR Schrieffer, "Teoría de la superconductividad", Phys. Rev. 108, 1175 (1957), doi:10.1103/PhysRev.108.1175

Otros papeles clave

• W. Meissner y R. Ochsenfeld, Naturwiss. 21, 787 (1933), doi:10.1007/BF01504252
• 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)
• E. Maxwell, "Efecto isotópico en la superconductividad del mercurio" Phys. Rev. 78, 477 (1950), doi:10.1103/PhysRev.78.477
• CA Reynolds et al. , "Superconductividad de isótopos de mercurio", Phys. Rev. 78, 487 (1950), doi:10.1103/PhysRev.78.487
• AA Abrikosov, "Sobre las propiedades magnéticas de los superconductores del segundo grupo", Física soviética JETP 5, 1174 (1957)
• WA Little y RD Parks, "Observación de la periodicidad cuántica en la temperatura de transición de un cilindro superconductor", Phys. Rev. Lett. 9, 9 (1962) doi:10.1103/PhysRevLett.9.9
• BD Josephson, "Posibles nuevos efectos en túneles superconductores", Physics Letters 1, 251 (1962), doi: 10.1016/0031-9163 (62) 91369-0

patentes

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