Superconductividad

La superconductividad es un conjunto de propiedades físicas observadas en ciertos materiales donde la resistencia eléctrica desaparece y los campos de flujo magnético son expulsados ​​del material. Cualquier material que presente estas propiedades es un superconductor. A diferencia de un conductor metálico ordinario, cuya resistencia disminuye gradualmente a medida que su temperatura desciende incluso hasta casi el cero absoluto, un superconductor tiene una temperatura crítica característica por debajo de la cual la resistencia cae abruptamente a cero. Una corriente eléctrica a través de un bucle de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de energía.

El fenómeno de la superconductividad fue descubierto en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes. Al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno que solo puede explicarse mediante la mecánica cuántica. Se caracteriza por el efecto Meissner, la eyección completa de líneas de campo magnético desde el interior del superconductor durante su transición al estado superconductor. La aparición del efecto Meissner indica que la superconductividad no puede entenderse simplemente como la idealización de la conductividad perfecta en la física clásica.

En 1986, se descubrió que algunos materiales cerámicos de cuprato-perovskita tienen una temperatura crítica superior a 90 K (−183 °C). Una temperatura de transición tan alta es teóricamente imposible para un superconductor convencional, lo que hace que los materiales se denominen superconductores de alta temperatura. El nitrógeno líquido refrigerante disponible a bajo costo hierve a 77 K y, por lo tanto, la existencia de superconductividad a temperaturas más altas que esto facilita muchos experimentos y aplicaciones que son menos prácticos a temperaturas más bajas.

Clasificación

Hay muchos criterios por los cuales se clasifican los superconductores. Los más comunes son:

Respuesta a un campo magnético

Un superconductor puede ser de Tipo I, lo que significa que tiene un solo campo crítico, por encima del cual se pierde toda la superconductividad y por debajo del cual el campo magnético es completamente expulsado del superconductor; o Tipo II, lo que significa que tiene dos campos críticos, entre los cuales permite la penetración parcial del campo magnético a través de puntos aislados. Estos puntos se llaman vórtices. Además, en superconductores multicomponente es posible tener una combinación de los dos comportamientos. En ese caso, el superconductor es de Tipo-1.5.

Por teoría de funcionamiento

Es convencional si puede ser explicado por la teoría BCS o sus derivados, o no convencional, en caso contrario. Alternativamente, un superconductor se llama no convencional si el parámetro de orden superconductor se transforma de acuerdo con una representación irreducible no trivial del grupo de puntos o grupo espacial del sistema.

Por temperatura crítica

Un superconductor generalmente se considera de alta temperatura si alcanza un estado superconductor por encima de una temperatura de 30 K (−243,15 ° C); como en el descubrimiento inicial de Georg Bednorz y K. Alex Müller. También puede hacer referencia a materiales que pasan a la superconductividad cuando se enfrían con nitrógeno líquido, es decir, a solo Tc > ₇₇ K, aunque esto generalmente se usa solo para enfatizar que el refrigerante de nitrógeno líquido es suficiente. Los superconductores de baja temperatura se refieren a materiales con una temperatura crítica inferior a 30 K y se enfrían principalmente con helio líquido (T _c > 4,2K). Una excepción a esta regla es el grupo de superconductores de pnictida de hierro que muestran un comportamiento y propiedades típicas de los superconductores de alta temperatura, aunque algunos del grupo tienen temperaturas críticas por debajo de 30 K.

Por materia

Las clases de materiales superconductores incluyen elementos químicos (por ejemplo, mercurio o plomo), aleaciones (como niobio-titanio, germanio-niobio y nitruro de niobio), cerámicas (YBCO y diboruro de magnesio), pnictidas superconductoras (como LaOFeAs dopadas con flúor) o superconductores orgánicos. (fullerenos y nanotubos de carbono; aunque quizás estos ejemplos deberían incluirse entre los elementos químicos, ya que están compuestos íntegramente por carbono).

Propiedades elementales de los superconductores

Varias propiedades físicas de los superconductores varían de un material a otro, como la temperatura crítica, el valor del espacio superconductor, el campo magnético crítico y la densidad de corriente crítica a la que se destruye la superconductividad. Por otro lado, existe una clase de propiedades que son independientes del material subyacente. El efecto Meissner, la cuantificación del flujo magnético o las corrientes permanentes, es decir, el estado de resistencia cero son los ejemplos más importantes. La existencia de estas propiedades "universales" tiene sus raíces en la naturaleza de la simetría rota del superconductor y la aparición de un orden de largo alcance fuera de la diagonal. La superconductividad es una fase termodinámica y, por lo tanto, posee ciertas propiedades distintivas que son en gran medida independientes de los detalles microscópicos.

El orden de largo alcance fuera de la diagonal está estrechamente relacionado con la formación de pares de Cooper. Un artículo de VF Weisskopf presenta explicaciones físicas simples para la formación de pares de Cooper, para el origen de la fuerza de atracción que causa la unión de los pares, para la brecha de energía finita y para la existencia de corrientes permanentes.

Resistencia eléctrica de CC cero

El método más simple para medir la resistencia eléctrica de una muestra de algún material es colocarlo en un circuito eléctrico en serie con una fuente de corriente I y medir el voltaje resultante V a través de la muestra. La resistencia de la muestra viene dada por la ley de Ohm como R = V / I. Si el voltaje es cero, esto significa que la resistencia es cero.

Los superconductores también pueden mantener una corriente sin ningún tipo de voltaje aplicado, una propiedad explotada en electroimanes superconductores como los que se encuentran en las máquinas de resonancia magnética. Los experimentos han demostrado que las corrientes en las bobinas superconductoras pueden persistir durante años sin ninguna degradación medible. La evidencia experimental apunta a una vida actual de al menos 100.000 años. Las estimaciones teóricas de la vida útil de una corriente persistente pueden superar la vida útil estimada del universo, según la geometría del cable y la temperatura. En la práctica, las corrientes inyectadas en bobinas superconductoras han persistido durante más de 27 años (hasta agosto de 2022) en gravímetros superconductores.En tales instrumentos, el principio de medición se basa en el seguimiento de la levitación de una esfera superconductora de niobio con una masa de 4 gramos.

En un conductor normal, una corriente eléctrica puede visualizarse como un fluido de electrones moviéndose a través de una red iónica pesada. Los electrones chocan constantemente con los iones en la red y, durante cada colisión, parte de la energía transportada por la corriente es absorbida por la red y convertida en calor, que es esencialmente la energía cinética vibratoria de los iones de la red. Como resultado, la energía transportada por la corriente se disipa constantemente. Este es el fenómeno de la resistencia eléctrica y el calentamiento Joule.

La situación es diferente en un superconductor. En un superconductor convencional, el fluido electrónico no se puede descomponer en electrones individuales. En cambio, consiste en pares de electrones unidos conocidos como pares de Cooper. Este emparejamiento es causado por una fuerza de atracción entre electrones del intercambio de fonones. Este emparejamiento es muy débil y las pequeñas vibraciones térmicas pueden romper el enlace. Debido a la mecánica cuántica, el espectro de energía de este fluido de par de Cooper posee una brecha de energía, lo que significa que hay una cantidad mínima de energía Δ E que debe suministrarse para excitar el fluido. Por tanto, si Δ E es mayor que la energía térmica de la red, dada por kT, donde kes la constante de Boltzmann y T es la temperatura, el fluido no será dispersado por la red. El fluido del par de Cooper es, por lo tanto, un superfluido, lo que significa que puede fluir sin disipación de energía.

En una clase de superconductores conocida como superconductores de tipo II, incluidos todos los superconductores de alta temperatura conocidos, aparece una resistividad extremadamente baja pero distinta de cero a temperaturas no muy por debajo de la transición superconductora nominal cuando se aplica una corriente eléctrica junto con un fuerte campo magnético. que puede ser causado por la corriente eléctrica. Esto se debe al movimiento de vórtices magnéticos en el superfluido electrónico, que disipa parte de la energía transportada por la corriente. Si la corriente es suficientemente pequeña, los vórtices son estacionarios y la resistividad desaparece. La resistencia debida a este efecto es pequeña en comparación con la de los materiales no superconductores, pero debe tenerse en cuenta en experimentos sensibles. Sin embargo, a medida que la temperatura disminuye lo suficiente por debajo de la transición superconductora nominal, estos vórtices pueden congelarse en una fase desordenada pero estacionaria conocida como "vidrio de vórtice". Por debajo de esta temperatura de transición vítrea de vórtice, la resistencia del material se vuelve realmente cero.

Transición de fase

En los materiales superconductores, las características de la superconductividad aparecen cuando la temperatura T desciende por debajo de una temperatura _crítica Tc. El valor de esta temperatura crítica varía de un material a otro. Los superconductores convencionales suelen tener temperaturas críticas que oscilan entre 20 K y menos de 1 K. El mercurio sólido, por ejemplo, tiene una temperatura crítica de 4,2 K. A partir de 2015, la temperatura crítica más alta encontrada para un superconductor convencional es de 203 K para H ₂ S, aunque se requerían altas presiones de aproximadamente 90 gigapascales. Los superconductores de cuprato pueden tener temperaturas críticas mucho más altas: YBa ₂ Cu ₃ O ₇, uno de los primeros superconductores de cuprato descubiertos, tiene una temperatura crítica superior a 90 K, y se han encontrado cupratos a base de mercurio con temperaturas críticas superiores a 130 K. El mecanismo físico básico responsable de la alta temperatura crítica aún no está claro. Sin embargo, está claro que se trata de un emparejamiento de dos electrones, aunque la naturaleza del emparejamiento (onda contra onda) sigue siendo controvertida.

De manera similar, a una temperatura fija por debajo de la temperatura crítica, los materiales superconductores dejan de ser superconductores cuando se aplica un campo magnético externo que es mayor que el campo magnético crítico.. Esto se debe a que la energía libre de Gibbs de la fase superconductora aumenta cuadráticamente con el campo magnético, mientras que la energía libre de la fase normal es aproximadamente independiente del campo magnético. Si el material se superconduce en ausencia de un campo, entonces la energía libre de la fase superconductora es menor que la de la fase normal y así para algún valor finito del campo magnético (proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de las energías libres en cero campo magnético) las dos energías libres serán iguales y se producirá una transición de fase a la fase normal. De manera más general, una temperatura más alta y un campo magnético más fuerte conducen a una fracción más pequeña de electrones que son superconductores y, en consecuencia, a una mayor profundidad de penetración de los campos y corrientes magnéticos externos.

El inicio de la superconductividad va acompañado de cambios abruptos en varias propiedades físicas, que es el sello distintivo de una transición de fase. Por ejemplo, la capacidad calorífica electrónica es proporcional a la temperatura en el régimen normal (no superconductor). En la transición superconductora, sufre un salto discontinuo y luego deja de ser lineal. A bajas temperaturas, varía en cambio como e para alguna constante, α. Este comportamiento exponencial es una de las evidencias de la existencia de la brecha energética.

El orden de la transición de fase superconductora fue durante mucho tiempo un tema de debate. Los experimentos indican que la transición es de segundo orden, lo que significa que no hay calor latente. Sin embargo, en presencia de un campo magnético externo existe calor latente, debido a que la fase superconductora tiene una entropía menor por debajo de la temperatura crítica que la fase normal. Se ha demostrado experimentalmente que, como consecuencia, cuando el campo magnético aumenta más allá del campo crítico, la transición de fase resultante conduce a una disminución de la temperatura del material superconductor.

Los cálculos de la década de 1970 sugirieron que en realidad podría ser débilmente de primer orden debido al efecto de las fluctuaciones de largo alcance en el campo electromagnético. En la década de 1980 se demostró teóricamente con la ayuda de una teoría del campo desordenado, en la que las líneas de vórtice del superconductor juegan un papel importante, que la transición es de segundo orden dentro del régimen tipo II y de primer orden (es decir, calor latente) dentro del régimen de tipo I, y que las dos regiones están separadas por un punto tricrítico. Los resultados fueron fuertemente respaldados por simulaciones por computadora de Monte Carlo.

Efecto Meissner

Cuando un superconductor se coloca en un campo magnético externo débil H y se enfría por debajo de su temperatura de transición, el campo magnético se expulsa. El efecto Meissner no hace que el campo sea expulsado por completo, sino que el campo penetra en el superconductor pero solo a una distancia muy pequeña, caracterizada por un parámetro λ, llamado profundidad de penetración de London, que decae exponencialmente hasta cero dentro de la mayor parte del material.. El efecto Meissner es una característica definitoria de la superconductividad. Para la mayoría de los superconductores, la profundidad de penetración de London es del orden de 100 nm.

El efecto Meissner a veces se confunde con el tipo de diamagnetismo que uno esperaría en un conductor eléctrico perfecto: según la ley de Lenz, cuando se aplica un campo magnético cambiante a un conductor, inducirá una corriente eléctrica en el conductor que crea un campo magnético opuesto. campo. En un conductor perfecto, se puede inducir una corriente arbitrariamente grande y el campo magnético resultante cancela exactamente el campo aplicado.

El efecto Meissner es distinto de esto: es la expulsión espontánea que ocurre durante la transición a la superconductividad. Supongamos que tenemos un material en su estado normal, que contiene un campo magnético interno constante. Cuando el material se enfría por debajo de la temperatura crítica, observaríamos la expulsión brusca del campo magnético interno, lo que no esperaríamos en base a la ley de Lenz.

El efecto Meissner recibió una explicación fenomenológica de los hermanos Fritz y Heinz London, quienes demostraron que la energía libre electromagnética en un superconductor se minimiza siempre que

donde H es el campo magnético y λ es la profundidad de penetración de Londres.

Esta ecuación, conocida como la ecuación de London, predice que el campo magnético en un superconductor decae exponencialmente desde cualquier valor que posea en la superficie.

Se dice que un superconductor con poco o ningún campo magnético en su interior está en el estado de Meissner. El estado de Meissner se rompe cuando el campo magnético aplicado es demasiado grande. Los superconductores se pueden dividir en dos clases según cómo se produzca esta ruptura. En los superconductores Tipo I, la superconductividad se destruye abruptamente cuando la fuerza del campo aplicado se eleva por encima de un valor _crítico Hc. Dependiendo de la geometría de la muestra, se puede obtener un estado intermedio que consiste en un patrón barroco de regiones de material normal que portan un campo magnético mezclado con regiones de material superconductor que no contienen campo. En superconductores Tipo II, elevando el campo aplicado más allá de un valor crítico H _{c 1}conduce a un estado mixto (también conocido como estado de vórtice) en el que una cantidad creciente de flujo magnético penetra en el material, pero no queda resistencia al flujo de corriente eléctrica siempre que la corriente no sea demasiado grande. A una segunda intensidad de campo crítica H _{c 2}, se destruye la superconductividad. El estado mixto en realidad es causado por vórtices en el superfluido electrónico, a veces llamados fluxones porque el flujo transportado por estos vórtices está cuantificado. La mayoría de los superconductores elementales puros, excepto los nanotubos de niobio y carbono, son del Tipo I, mientras que casi todos los superconductores impuros y compuestos son del Tipo II.

Momento de londres

Por el contrario, un superconductor giratorio genera un campo magnético, alineado con precisión con el eje de giro. El efecto, el momento de Londres, se aprovechó en Gravity Probe B. Este experimento midió los campos magnéticos de cuatro giroscopios superconductores para determinar sus ejes de giro. Esto fue fundamental para el experimento, ya que es una de las pocas formas de determinar con precisión el eje de giro de una esfera sin rasgos distintivos.

Historia de la superconductividad

La superconductividad fue descubierta el 8 de abril de 1911 por Heike Kamerlingh Onnes, quien estaba estudiando la resistencia del mercurio sólido a temperaturas criogénicas utilizando el helio líquido producido recientemente como refrigerante. A la temperatura de 4,2 K, observó que la resistencia desaparecía bruscamente. En el mismo experimento, también observó la transición superfluida del helio a 2,2 K, sin reconocer su significado. La fecha precisa y las circunstancias del descubrimiento solo se reconstruyeron un siglo después, cuando se encontró el cuaderno de Onnes. En décadas posteriores, se observó superconductividad en varios otros materiales. En 1913, se descubrió que el plomo era superconductor a 7 K, y en 1941 se descubrió que el nitruro de niobio era superconductor a 16 K.

Se han dedicado grandes esfuerzos a descubrir cómo y por qué funciona la superconductividad; el paso importante ocurrió en 1933, cuando Meissner y Ochsenfeld descubrieron que los superconductores expulsaban campos magnéticos aplicados, un fenómeno que se conoce como efecto Meissner. En 1935, Fritz y Heinz London demostraron que el efecto Meissner era consecuencia de la minimización de la energía libre electromagnética transportada por la corriente superconductora.

Ecuaciones constitutivas de Londres

El modelo teórico que se concibió por primera vez para la superconductividad era completamente clásico: se resume en las ecuaciones constitutivas de London. Fue propuesta por los hermanos Fritz y Heinz London en 1935, poco después del descubrimiento de que los superconductores expulsan campos magnéticos. Un triunfo importante de las ecuaciones de esta teoría es su capacidad para explicar el efecto Meissner, en el que un material expulsa exponencialmente todos los campos magnéticos internos cuando cruza el umbral superconductor. Usando la ecuación de London, se puede obtener la dependencia del campo magnético dentro del superconductor con la distancia a la superficie.

Las dos ecuaciones constitutivas de un superconductor de London son:

La primera ecuación se deriva de la segunda ley de Newton para electrones superconductores.

Teorías convencionales (década de 1950)

Durante la década de 1950, los físicos teóricos de la materia condensada llegaron a comprender la superconductividad "convencional", a través de un par de teorías notables e importantes: la teoría fenomenológica de Ginzburg-Landau (1950) y la teoría microscópica BCS (1957).

En 1950, Landau y Ginzburg desarrollaron la teoría fenomenológica de la superconductividad de Ginzburg-Landau. Esta teoría, 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, Abrikosov demostró que la teoría de Ginzburg-Landau predice la división de los superconductores en las dos categorías ahora denominadas Tipo I y Tipo II. Abrikosov y Ginzburg recibieron el Premio Nobel de 2003 por su trabajo (Landau había recibido el Premio Nobel de 1962 por otro trabajo y murió en 1968). La extensión de cuatro dimensiones de la teoría de Ginzburg-Landau, el modelo de Coleman-Weinberg, es importante en la teoría cuántica de campos y la cosmología.

También en 1950, Maxwell y 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.

La teoría microscópica completa de la superconductividad fue finalmente propuesta en 1957 por Bardeen, Cooper y 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 en 1972.

La teoría BCS se estableció sobre una base más firme en 1958, cuando NN 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.

Las generalizaciones de la teoría BCS para superconductores convencionales forman la base para la comprensión del fenómeno de la superfluidez, porque caen en la clase de universalidad de transición lambda. La medida en que tales generalizaciones se pueden aplicar a los superconductores no convencionales sigue siendo controvertida.

Más historia

La primera aplicación práctica de la superconductividad se desarrolló en 1954 con la invención del criotrón de Dudley Allen Buck. Dos superconductores con valores muy diferentes del campo magnético crítico se combinan para producir un interruptor rápido y simple para los elementos de la computadora.

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, GB 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 kelvin, el niobio-estaño, 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 tesla. A pesar de ser frágil y difícil de fabricar, el niobio-estaño ha demostrado desde entonces ser extremadamente útil en superimanes que generan campos magnéticos de hasta 20 teslas. En 1962, TG Berlincourt y RR Hakedescubrió que las aleaciones más dúctiles de niobio y titanio son adecuadas para aplicaciones de hasta 10 tesla. 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 reproductores de imágenes médicas MRI, imanes de flexión y enfoque para enormes aceleradores de partículas de alta energía y muchas otras aplicaciones. Conectus, un consorcio europeo de superconductividad, estimó que en 2014,

En 1962, 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 disponibles más precisas del cuanto de flujo magnético Φ ₀ = h /(2 e), donde h es la constante de Planck. Junto con la resistividad cuántica de Hall, esto conduce a una medición precisa de la constante de Planck. Josephson recibió el Premio Nobel por este trabajo en 1973.

En 2008 se propuso que el mismo mecanismo que produce la superconductividad podría producir un estado superaislante en algunos materiales, con una resistencia eléctrica casi infinita. El primer desarrollo y estudio del condensado superconductor de Bose-Einstein (BEC) en 2020 sugiere que existe una "transición suave entre" los regímenes BEC y Bardeen-Cooper-Shrieffer.

Superconductividad a alta temperatura

Hasta 1986, los físicos creían que la teoría BCS prohibía la superconductividad a temperaturas superiores a los 30 K. En ese año, Bednorz y Müller descubrieron la superconductividad en el óxido de lantano, bario y cobre (LBCO), un material de perovskita cuprato a base de lantano, que tenía una temperatura de transición de 35 K (Premio Nobel de Física, 1987). Pronto se descubrió que reemplazar el lantano con itrio (es decir, hacer YBCO) elevaba la temperatura crítica por encima de 90 K.

Este salto de temperatura es especialmente significativo, ya que permite utilizar nitrógeno líquido como refrigerante, en sustitución del helio líquido. Esto puede ser importante desde el punto de vista comercial porque el nitrógeno líquido se puede producir de forma relativamente económica, incluso in situ. Además, las temperaturas más altas ayudan a evitar algunos de los problemas que surgen a las temperaturas del helio líquido, como la formación de tapones de aire congelado que pueden bloquear las líneas criogénicas y provocar una acumulación de presión imprevista y potencialmente peligrosa.

Desde entonces, se han descubierto muchos otros superconductores de cuprato, y la teoría de la superconductividad en estos materiales es uno de los principales desafíos pendientes de la física teórica de la materia condensada. Actualmente hay dos hipótesis principales: la teoría del enlace de valencia resonante y la fluctuación de espín, que tiene el mayor apoyo en la comunidad de investigación. La segunda hipótesis proponía que el emparejamiento de electrones en los superconductores de alta temperatura está mediado por ondas de espín de corto alcance conocidas como paramagnones.

En 2008, Gubser, Hartnoll, Herzog y Horowitz propusieron la superconductividad holográfica, que utiliza la dualidad holográfica o la teoría de la correspondencia AdS/CFT, como una posible explicación de la superconductividad a alta temperatura en ciertos materiales.

Aproximadamente desde 1993, el superconductor de temperatura más alta conocido era un material cerámico compuesto de mercurio, bario, calcio, cobre y oxígeno (HgBa ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _8+δ) con T _c = 133–138 K.

En febrero de 2008, se descubrió una familia de superconductores de alta temperatura a base de hierro. Hideo Hosono, del Instituto de Tecnología de Tokio, y sus colegas encontraron arseniuro de hierro, flúor y oxígeno de lantano (LaO _1−x F _x FeAs), un oxipnictido superconductor por debajo de 26 K. Reemplazo del lantano en LaO _{1− x} F _x FeAs con cables de samario a superconductores que trabajan a 55 K.

En 2014 y 2015, el sulfuro de hidrógeno (H₂S) a presiones extremadamente altas (alrededor de 150 gigapascales) se predijo primero y luego se confirmó que era un superconductor de alta temperatura con una temperatura de transición de 80 K. Además, en 2019 se descubrió que el hidruro de lantano (LaH₁₀) se convierte en un superconductor a 250 K bajo una presión de 170 gigapascales.

En 2018, un equipo de investigación del Departamento de Física del Instituto de Tecnología de Massachusetts descubrió la superconductividad en el grafeno bicapa con una capa torcida en un ángulo de aproximadamente 1,1 grados con enfriamiento y aplicando una pequeña carga eléctrica. Incluso si los experimentos no se llevaron a cabo en un entorno de alta temperatura, los resultados se correlacionan menos con los superconductores clásicos pero de alta temperatura, dado que no es necesario introducir átomos extraños. El efecto de superconductividad se produjo como resultado de la torsión de electrones en un vórtice entre las capas de grafeno, llamados "skyrmions". Estos actúan como una sola partícula y pueden emparejarse a través de las capas de grafeno, lo que genera las condiciones básicas requeridas para la superconductividad.

En 2020, se describió en un artículo en Nature un superconductor a temperatura ambiente hecho de hidrógeno, carbono y azufre bajo presiones de alrededor de 270 gigapascales., sin embargo, en 2022, el artículo se retractó formalmente después de que surgieran serias dudas sobre los métodos estadísticos utilizados por los autores para derivar el resultado.

Aplicaciones

Los imanes superconductores son algunos de los electroimanes más potentes que se conocen. Se utilizan en máquinas de MRI/NMR, espectrómetros de masas, los imanes de dirección de haz utilizados en aceleradores de partículas e imanes de confinamiento de plasma en algunos tokamaks. También se pueden utilizar para la separación magnética, donde las partículas débilmente magnéticas se extraen de un fondo de partículas menos magnéticas o no magnéticas, como en las industrias de pigmentos. También se pueden utilizar en grandes turbinas eólicas para superar las restricciones impuestas por las altas corrientes eléctricas, con un generador de molino de viento superconductor de grado industrial de 3,6 megavatios que se ha probado con éxito en Dinamarca.

En las décadas de 1950 y 1960, se usaron superconductores para construir computadoras digitales experimentales usando interruptores de criotrón. Más recientemente, los superconductores se han utilizado para fabricar circuitos digitales basados ​​en tecnología cuántica de flujo único rápido y filtros de RF y microondas para estaciones base de telefonía móvil.

Los superconductores se utilizan para construir uniones Josephson, que son los componentes básicos de los SQUID (dispositivos superconductores de interferencia cuántica), los magnetómetros más sensibles que se conocen. Los SQUID se utilizan en microscopios SQUID de barrido y magnetoencefalografía. Se utilizan series de dispositivos Josephson para realizar el SI volt. Detectores de fotones superconductoresse puede realizar en una variedad de configuraciones de dispositivos. Dependiendo del modo particular de operación, una unión Josephson superconductor-aislante-superconductor puede usarse como un detector de fotones o como un mezclador. El gran cambio de resistencia en la transición del estado normal al superconductor se utiliza para construir termómetros en detectores de fotones de microcalorímetros criogénicos. El mismo efecto se utiliza en bolómetros ultrasensibles fabricados con materiales superconductores. Los detectores de fotones únicos de nanocables superconductores ofrecen detección de fotones únicos de alta velocidad y bajo ruido y se han empleado ampliamente en aplicaciones avanzadas de recuento de fotones.

Están surgiendo otros mercados tempranos en los que las ventajas relativas de eficiencia, tamaño y peso de los dispositivos basados ​​en superconductividad a alta temperatura superan los costos adicionales involucrados. Por ejemplo, en las turbinas eólicas, el menor peso y volumen de los generadores superconductores podría generar ahorros en los costos de construcción y torre, compensando los mayores costos del generador y reduciendo el costo nivelado total de la electricidad (LCOE).

Las aplicaciones futuras prometedoras incluyen redes inteligentes de alto rendimiento, transmisión de energía eléctrica, transformadores, dispositivos de almacenamiento de energía, motores eléctricos (p. ej., para la propulsión de vehículos, como en trenes de vacío o trenes de levitación magnética), dispositivos de levitación magnética, limitadores de corriente de falla, dispositivos espintrónicos mejorados con materiales superconductores,y refrigeración magnética superconductora. Sin embargo, la superconductividad es sensible a los campos magnéticos en movimiento, por lo que las aplicaciones que utilizan corriente alterna (por ejemplo, transformadores) serán más difíciles de desarrollar que aquellas que dependen de corriente continua. En comparación con las líneas eléctricas tradicionales, las líneas de transmisión superconductoras son más eficientes y requieren solo una fracción del espacio, lo que no solo conduciría a un mejor desempeño ambiental sino que también podría mejorar la aceptación pública de la expansión de la red eléctrica. Otro aspecto industrial atractivo es la capacidad de transmisión de alta potencia a voltajes más bajos. Los avances en la eficiencia de los sistemas de enfriamiento y el uso de refrigerantes baratos como el nitrógeno líquido también han reducido significativamente los costos de enfriamiento necesarios para la superconductividad.

Premios Nobel de superconductividad

• Heike Kamerlingh Onnes (1913), "por sus investigaciones sobre las propiedades de la materia a bajas temperaturas que condujeron, entre otras cosas, a la producción de helio líquido".
• John Bardeen, Leon N. Cooper y J. Robert Schrieffer (1972), "por su teoría de la superconductividad desarrollada conjuntamente, generalmente llamada teoría BCS".
• Leo Esaki, Ivar Giaever y Brian D. Josephson (1973), "por sus descubrimientos experimentales sobre fenómenos de tunelización en semiconductores y superconductores, respectivamente" y "por sus predicciones teóricas de las propiedades de una supercorriente a través de una barrera de túnel, en particular aquellas fenómenos que se conocen generalmente como los efectos de Josephson".
• Georg Bednorz y K. Alex Müller (1987), "por su importante avance en el descubrimiento de la superconductividad en materiales cerámicos".
• Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg y Anthony J. Leggett (2003), "por contribuciones pioneras a la teoría de superconductores y superfluidos".