viernes, 18 de diciembre de 2009

Los Superconductores de alta temperatura

Desde que la superconductividad fue descubierta en 1911 y hasta 1986 no había conseguido encontrar Tc elevadas (la mayor era de 23ºK), lo que exigía los materiales fueran enfriados a la temperatura del helio liquido (4,2ºK),  lo cual era muy caro y necesitaba de una tecnología muy sotisficada.



Pero en 1986 se descubre un compuesto a base de óxidos de Cobre, Lantano y Bario (ÇBaLaCuO) que se vuelve superconductor a 35ºK. Esto provoco una fiebre de estudios en tres direcciones preferentemente. La primera fue la búsqueda de nuevos compuestos a fin de obtener una Tc cada vez mas elevada. En 1987 se supera la temperatura del Nitrógeno liquido (77ºK) con un compuesto a base de Itrio, Bario y Cobre que sigue siendo el mas estudiado (YBa2Cu3O7). Fue un paso  importante porque ya se comienza a pensar en sus aplicaciones a gran escala, ya que el Nitrógeno liquido es diez veces mas barato que el Helio liquido.

La segunda dirección es la mejora de los métodos para sintetizar estos materiales.

La tercera es la comprensión de sus propiedades físicas (eléctricas, magnéticas y ópticas).



Este estudio se realiza para dos fases:


Fase normal (por encima de la temperatura critica), en la que se intenta saber si estos nuevos óxidos metálicos pueden clasificarse como metales tradicionales.



Fase superconductora (por debajo de Tc), en la que se intenta determinar si las propiedades de estos nuevos compuestos pueden ser o no descritos por la teoría clásica BCS.



La síntesis de estos materiales y su estudio sigue siendo un campo importante de investigaciones.

Las observaciones de planos atómicos sucesivos en microscopia electrónica han relevado a menudo, la existencia de nuevas fases y se especula con la posibilidad de sintetizarlos. También se correlaciona cada vez mejor los defectos en sentido amplio (diferencias estiquiometricas, impurezas) con el desorden y las propiedades de los distintos compuestos.

Las estructuras cristalograficas de estas familias de óxidos de Cobre han resultado ser bastante próximas y se caracterizan por la presencia de planos Cobre-Oxígeno llamados planos CuO2.

Debemos hacer constar que También se han sintetizado óxidos de estructuras cubicas sin Cobre o compuestos a base de carbono, cuya estructura tridimensional y composición química no se asemejan a las de los óxidos a base de cobre, es decir, hay varias clases de superconductores de alta temperatura critica.

Los nuevos compuestos mas prometedores vienen en forma de películas delgadas, debido a que en los cristales usuales se pueden observar numerosos defectos de todo tipo y a todas las escalas susceptibles de influir fuertemente en las propiedades físicas y en cambio en las capas delgadas se pueden aislar un defecto especifico, estudiarlo e incluso sacarle provecho.

Es También en las capas débiles donde hoy se registran las mayores densidades de corriente (intensidad por cm2 de sección).

Pero las fuertes densidades de corriente son un requisito indispensable para las aplicaciones que necesitan corrientes importantes o campos magnéticos intensos.

Hay un limite absoluto para la densidad de corriente que puede recorrer un superconductor sin disipación de energía. Según la teoría BCS,  esta limitación viene dada por la energía cinética que adquieren los pares de Cooper, cuando esta energía supera la de desacoplamiento, destruye los pares y con ellos la superconductividad y restaura el efecto Joule.

TAMBIÉN hay otras causas, como impurezas o defectos cristalinos, que hacen que la densidad de corriente critica medida sea inferior al limite teórico, estimado en 1010 A/cm2.

Pero es muy frecuente que la corriente critica medida disminuya en presencia de un campo magnético, por razones que tienen que ver con la naturaleza de los defectos, que limitan su valor y con la aparición en un campo magnético de nuevas fuentes de disipación todavía mal conocidas.

Las prestaciones son apreciadas entre los superconductores de alta y baja temperatura. Sin embargo, subsiste el problema de desarrollar nuevos compuestos en forma de hilos reutilizables.

Los físicos tratan de comprender mejor las propiedades de estos compuestos, que son muchos mas complejas que las de los elementos superconductores a baja temperatura.

Para el estudio en la fase normal, se concibió el nivel de Fermi, este nivel aparece por el principio de exclusión de Pauli, que prohibe que dos electrones se encuentren en el mismo estado; ello obliga a ocupar niveles de energía cada vez mayor, hasta uno de energía máxima, denominado nivel de Fermi. La detección del nivel de Fermi en fase normal de los óxidos superconductores se realiza mediante el efecto fotoeléctrico o fotoemision, es decir, la emisión de electrones arrancados al metal cuando este es irradiado por una onda electromagnética de alta energía. La medida de la energía electrónico de que ocupan inicialmente en el compuesto.

Pero este método no es muy fiable o muy complicado, porque es un método muy sensible a cualquier deterioro fisicoquímico de la superficie del material.

Los resultados actuales, en el estado normal, ascienden en establecer la existencia de una energía máxima para los fotoelectrones lo cual es compatible con la existencia con un nivel de Fermi. Los experimentos ópticos en el infrarrojo ayudan. Si el metal es conductor perfecto, toda la luz se refleja a causa de la completa libertad de movimiento de los electrones, coas que no ocurre en un metal ordinario. Es decir, hay una relación directa entre la conductividad de un metal y su capacidad de reflejar la luz.


Para comprender la fase normal, se siguen dos caminos:

El primero es mejorar la descripción en términos de líquidos de Fermi o habrá que renunciar totalmente a ella.

Este ultimo punto de vista es el que ha adoptado hace ya varios años el teórico P.W. Anderson, de la Universidad de Princeton, en Estados Unidos. SEGÚN él, contrariamente al caso del liquido de Fermi, en el que los electrones son portadores de una carga eléctrica y de un "espin" (momento cinético intrínseco), estas dos magnitudes están disociadas en el estado normal de los nuevos compuestos. El trasporte de carga correría a cargo de los "holones" (partículas sin carga pero con espin) transportarían el espin. Por ahora este modelo tiene una sola dimensión espacial. Se supone que estos conceptos son extensibles a la geometría bidimensional de los planos Cobre-Oxígeno de los óxidos superconductores.

La caracterización de la fase superconductora ha progresado en gran parte gracias a la mejora de la calidad de las muestras. En lo tocante, a estudios fundamentales, el mejor terreno, pese a su reducido tamaño, es el de los monocristales, pues se puede acceder a todas las orientaciones cristalograficas y estudiar como las propiedades del compuesto dependen de la dirección espacial considerada. Uno de los progresos mas recientes ha consistido en hacer crecer monocristales carentes de ciertos defectos inherentes a la estructura metálica de dichos materiales.

Los resultados mas notables de reflectividad en fase superconductora se obtuvieron en 1990 con un cristal desprovisto de defectos. El equipo IBM observo en el infrarrojo lejano un coeficiente de reflexión estrictamente igual a la unidad característico de un conductor perfecto, pero únicamente en la dirección X.

A partir de una cierta frecuencia, la reflecitividad deja de ser total. Es importante poder localizar dicha frecuencia, pues de ella se deduce el valor de la banda prohibida, que corresponde a la energía necesaria para romper un par de Cooper. Pero una predicción fundamental de la teoría BCS es que la banda prohibida expresada en Kelvin, es igual a 3,5 veces la temperatura critica. El valor 3,5 es importante porque esta ligado a la intensidad de reacción de los electrones, una interacción que esta en el origen de los pares de Cooper, 3,5 significa un acoplamiento débil entre la red cristalina y los pares de electrones.

La medida del equipo IBM sitúa la banda prohibida cerca de 700ºK, valor muy superior a la temperatura critica de 90ºK. El factor de 3,5 queda pues ampliamente rebasado. Las medidas por efecto fotoeléctrico por debajo de Tc confirma la presencia de un umbral de energía, aquí También dos veces mayor que el valor previsto por la teoría BCS.

Actualmente se dispone de muchos experimentos que concuerdan en asignar al cociente entre la banda prohibida y la temperatura critica un valor muy superior al que prevé la teoría BCS para un acoplamiento débil. Estos resultados sugieren que la teoría clásica a de tener en cuenta un acoplamiento fuerte, tal vez con los fonones, es decir, con las vibraciones de la red cristalina. Pero se consideran También otras interacciones, por ejemplo con las fluctuaciones colectivas de los momentos magnéticos de los iones de Cobre.

Fuentes: http://www.salonhogar.com/ciencias/fisica/supercoductividad/super_altatemp.htm

1 comentario:

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