Superconductivitat per a tots els públic

Superconductivitat

Alguns metalls presenten resistivitat zero a temperatures per sota d'un cert valor, denominat temperatura crítica. La superconductivitat implica resistència zero i, per tant, la persistència del corrent, encara que no hi hagi camp elèctric en el conductor. La figura mostra la brusca caiguda de la resistència del mercuri a 4,2 K. Recentment s'han aconseguit aliatges que presenten superconductivitat a temperatures més altes, de prop dels 90 K.

 

Història de la Superconductivitat

La història de la superconductivitat comença el 1911 a Leiden, Països Baixos. Allà H. Kamerlingh Onnes va desenvolupar les primeres tècniques criogenicas per refredar mostres fins a alguns graus per sobre del zero absolut (corresponents a zero Kelvin, és a dir, menys dos-cents setanta-tres graus centígrads). Va ser el primer que va aconseguir portar l'heli fins a sota del seu punt de licuefacció (4,2 º K) , obrint així el camp de les baixes temperatures. Al principi , Kamerlingh Onnes va "monopolitzar" completament aquest camp, de manera que Leiden va ser, fins a 1923, l'únic lloc del món que disposava d'heli líquid .

En aquelles èpoques es sabia que els metalls tenen una resistivitat que disminueix de manera pràcticament lineal amb la temperatura fins a uns vint Kelvin, i es volia saber que passava amb aquesta resistivitat en les proximitats del zero absolut:

Si seguia decreixent linealment? 

Si tendia , potser , a un valor constant? 

O bé, si es remuntaria cap a valors molt elevats, característics d'un comportament aïllant en lloc de conductor?

 

Kamerlingh Onnes es va adonar molt aviat que era necessari disposar de metalls molt purs, si volia obtenir resultats lliures de tota ambigüitat. Va triar el mercuri, element que es pot aconseguir amb un alt grau de puresa mitjançant successives destil·lacions i que a més és conductor en estat metàl·lic. D'aquesta manera, i refredant el mercuri a molt baixa temperatura, va poder observar un fenomen nou i totalment inesperat:

A una temperatura de 4,2 º K, el mercuri passava bruscament a un estat en el qual, sobtadament , no oferia resistivitat alguna al pas de el corrent elèctric. Aquesta transició es manifestava per una caiguda molt brusca de la resistivitat. Kamerlingh Onnes havia descobert la superconductivitat .

Poc després es va observar que aquesta transició a l'estat de superconductor es produïa en altres metalls, com el plom o el niobi, a temperatures crítiques lleugerament més altes. Posteriorment a partir dels anys 1930, la superconductivitat es va observar també en cossos compostos, principalment en aliatges. L'elevació de les temperatures crítiques  va ser prosseguint al llarg dels anys , amb un progrés lent però bastant regular. El 1973 la temperatura critica més elevada va ser de 23,3 Kelvin, amb un aliatge de niobi i germani ( Nb Ge ) . Tretze anys més tard la situació era la mateixa i la majoria dels físics havien acabat per convèncer-se que no podia arribar molt més lluny.

 

Cal tenir en compte que com més alta sigui la temperatura, més baix és el cost per assolir-la.

L'any 1960 es va demostrar que el titanat d'estronci (SrTiO) es fa superconductor, però amb una temperatura de transició molt baixa : 0,3 Kelvin . Posteriors estudis analitzats a Rüshlikon van permetre augmentar aquesta temperatura critica fins a 0,8 Kelvin mitjançant el dopat del compost amb niobi .

Deu anys més tard, a 1973, D.C. Johnston i els seus companys van obtenir un resultat més significatiu amb un òxid de titani i liti (Li- Ti - O) : una temperatura crítica de 13,7 Kelvin. El 1975, A.W. Sleight i els seus col · laboradors van observar una transició a 13 Kelvin en un compost de valència mixta: un òxid de bari i plom dopat amb bismut (BaPbBiO) . En aquesta formula el subíndex x indica la proporció de bismut substituïda en el plom.

Des de 1986 , data del seu descobriment dels superconductors de la temperatura relativament elevades plantegen difícils problemes als teòrics . Encara no se sap si el mecanisme responsable de l'agrupament dels electrons per parells que està en l'origen de la superconductivitat és o no semblant al dels superconductors convencionals.

 Vídeo

 Aplicacions

Els superconductors tenen nombroses aplicacions actualment. Els imants més potents es fabriquen amb bobines de cables superconductors. Aquest és el cas dels imants que s'utilitzen en grans instal·lacions científiques , com els acceleradors de partícules i en medicina , com els aparells de ressonància magnètica nuclear. Els imants potents són també un component important dels generadors que transformen energia mecànica en electricitat (com és el cas dels generadors eòlics i hidràulics). L'ús d'imants produïts per bobines superconductores disminueixen les pèrdues mecàniques en la producció d'energies alternatives. D'aquesta manera disminueix de forma molt important el pes i les dimensions dels motors. A més l'ús de generadors superconductors disminueix la dependència en les escasses terres rares que componen els imants convencionals .

Amb superconductors es poden també fabricar detectors ultrasensibles de camps magnètics utilitzant l'efecte Josephson . Altres aplicacions que estan en major o menor mesura en desenvolupament són rellevants per a l'eficiència energètica (per ex. Cables que condueixen l'electricitat sense pèrdues d'energia) i transports ( trens que leviten ).

 

 

font: ICMM-CSIC