Superconductividad y superfluidez // H.k. Onnes

Devuelta con ustedes compañeros de Steemit, amigos lectores amante de la ciencia y el conocimiento, también aprovecho la oportunidad de saludar a las comunidades de habla hispana que valoran el contenido académico y científico como lo son: #cervantes, #steemitvenezuela y #entropia. La superconductividad y la superfluidez son los dos principales fenómenos que se produce a baja temperatura, estos fenómenos se refieren al comportamiento de la materia a temperaturas próximas al cero absoluto (0k=-273°C), punto termométrico en el que toda materia pierde su desorden y su estado energético es mínimo.

El helio-2 «fluye» a lo largo de las superficies con el fin de encontrar su propio nivel. Después de un corto periodo de tiempo, los niveles en los dos contenedores se igualan. La película de Rollin también cubre el interior del recipiente más grande. Si este no se selló, el Helio II puede fluir y escapar, fuente de imagen de dominio de Wikimedia Commons, Author Design: Aarchiba; SVG rendering: Júlio Reis

El fenómeno de la superconductividad fue descubierto por el físico H.K. onnes en 1911, al comprobar como la resistencias del mercurio desaparecía repentinamente cuando el metal se enfriaba por debajo de los 4k(-286°C), a esta temperatura las propiedades térmicas, eléctricas y magnéticas de muchas sustancias sufren cambios drásticos con referencia a las que tienen a la temperatura ambiente. Se ha podido comprobar que por debajo de ciertas temperaturas muchos elementos y compuesto químicos de tal manera, que ciertas aleaciones no muestran resistencia alguna al flujo de electricidad, por lo que son superconductores.

Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926), fuente de imagen de dominio de Wikimedia Commons, Author: Nobel foundation

Ahora el fenómeno de la superfluidez, fue descubierto en helio-4 liquido(es un compuesto de ebullición de 4,2k), cuando se observó que podía circular por finísimos capilares y huecos por lo que ningún otro liquido puede hacerlo, se supone que este fenómenos se debe a que una parte del helio líquido, debido a las fluctuaciones, adquieren un grado cero de entropía a temperatura próxima el cero absoluto.

Algunos materiales son conductores porque algunos de sus electrones no están ligados a ningún átomo en concreto, el desplazamiento de estos electrones a lo largo del conductor constituye la corriente eléctrica. En un material normal que no son superconductores el desplazamiento de electrones encuentra ciertos grados de dificultad, como impureza, choque entre ellos, dislocaciones, vibraciones moleculares, por lo que no todos los materiales tienen la misma conductividad, en superconductor se establece cierto grado de orden entre la materia que lo constituye, de tal modo que los electrones fluyen ordenadamente sin encontrar obstáculo ni dificultad, por lo que su resistencia a la conductividad es infinita, la temperatura por debajo de la cual una sustancia se hace superconductora se denomina temperatura de transición.

La resistividad eléctrica de un conductor metálico disminuye gradualmente a medida que la temperatura se reduce, sin embargo en los conductores ordinarios, como el cobre y la plata, las impurezas y otros defectos producen un valor límite, Incluso cerca de cero absoluto una muestra de cobre muestra una resistencia no nula. La resistencia de un superconductor, en cambio, desciende bruscamente a cero cuando el material se enfría por debajo de su temperatura crítica, una corriente eléctrica que fluye en una espiral de cable superconductor puede persistir indefinidamente sin fuente de alimentación, al igual que el ferromagnetismo y las líneas espectrales atómicas, la superconductividad es un fenómeno de la mecánica cuántica.

Expulsión del campo magnético, fuente de imagen de dominio de Wikimedia Commons.

En cuanto a los materiales superconductores, se conocen cientos de materiales que tienen la propiedad de convertirse en superconductores a bajas temperaturas, hay que considera que existen o se conocen veintisiete elementos químicos, el cual todo son metálicos entre los cuales se encuentran algunos comunes con el aluminio, el estaño, el plomo y el mercurio son superconductores a presión atmosférica en sus forma cristalográfica usuales. Otros onces elementos que comprende metales, semimetales y semiconductores, entre ellos el uranio, el silicio y el selenio son superconductores a baja temperatura y alta presiones, también tenemos otro elementos como el bismuto, el cual no es superconductor, tan solo es una forma de cristalográfica normal, pero sí lo son en una configuración altamente desordenada, que es estable a baja temperatura.

Hay que tomar en cuenta lo siguiente, aunque la propiedad más sobresaliente de los superconductores es la ausencia de resistencia, lo cierto es que no podemos decir que se trate de un material de conductividad infinita, ya que este tipo de material por sí solo no tiene sentido termodinámico. En realidad un material superconductor de tipo I es perfectamente diamagnético, esto hace que no permita que penetre en el campo, lo que se conoce como efecto Meissner.

El campo magnético distingue dos tipos de superconductores: los de tipo I, que no permiten en absoluto que penetre un campo magnético externo (lo cual conlleva un esfuerzo energético alto, e implica la ruptura brusca del estado superconductor si se supera la temperatura crítica), y los de tipo II, que son superconductores imperfectos, en el sentido en que el campo realmente penetra a través de pequeñas canalizaciones denominadas vórtices de Abrikosov, o fluxones. Estos dos tipos de superconductores son de hecho dos fases diferentes que fueron predichas por Lev Davidovich Landau y Aleksey Alekséyevich Abrikósov, elementos magnéticos como el cromo, manganeso, hierro, el cobalto, y el níquel no son superconductores en ninguna condición, sin embargo la mayoría de los superconductores conocidos son aleaciones y compuesto químicos.

Es posible que un compuesto químico sea superconductor, incluso en el caso de que no lo sean los elementos, que lo forman, algunos compuesto semiconductores si son modificados apropiadamente con impurezas, hoy en día los principales objetivos de4 la investigación en el campo de los materiales superconductores es encontrar compuesto con temperatura de transición cada vez mas elevadas. Los materiales superconductores de alta temperatura de transición pueden obtenerse con nitrógeno líquido con un punto de ebullición 77 k, que es un gas económico, en lugar que tener que utilizar el costoso helio con un punto de ebullición 4,2k.

En los metales el calor específico es una función de la temperatura. Cuando la temperatura es muy baja, pero el metal está en el estado normal (es decir, cuando aún no está en estado superconductor) el calor específico tiene la forma:


Donde a y b son constantes que se pueden medir mediante experimentos. El primer término (el término lineal) refleja la conducción eléctrica, mientras que el segundo término (el que varía con el cubo de la temperatura) se debe a los fonones (es decir, a las vibraciones de la red).

Sin embargo, si seguimos enfriando y el metal pasa al estado superconductor, este comportamiento cambia radicalmente: el calor específico tiene una discontinuidad en la temperatura crítica, aumentando sensiblemente, para después variar de la forma:

Resistividad y calor específico sin campo magnético para un superconductor típico, fuente de imagen de dominio de Wikimedia Commons,Author: Español: Traducción de Eynar a partir de la versión original en inglés de Alison Chaiken.

Recordando también que la superfluidez, es un fenómeno físico que tiene lugar a muy bajas temperaturas, cerca del cero absoluto, límite en el que cesa toda actividad, un inconveniente es que casi todos los elementos se congelan a esas temperaturas. Pero hay una excepción: el helio, existen dos isótopos estables del helio, el helio-4 (que es muy común) y el helio-3 (que es raro) y se produce en la desintegración beta del tritio en reactores nucleares. También se encuentra en la superficie de la Luna, arrastrado hasta allí por el viento solar.

La incorporación de nuevos materiales superconductores en su mayoría es una mezcla de cerámica con propiedades superconductores, el cual contiene lantano, itrio u otros elementos del grupo de la tierra raras, excepto el cerio, praseodimio, promecio y terbio, contiene una alcalinotérreo tenemos: bario, cobre y oxígeno. Los materiales cerámicos de clase 1 tiene formula química del tipo: La2xAxCuO4y^5, donde A es un elemento alcalinotérreo y x es un numero natural, los de clase 2 son del tipo: Aba2Cu3O7-x^5, donde este caso A es un elemento de la tierras raras y x es un número comprendido entre 0,1 y 0,5.

Bibliografía

Física estadística - Parte2 - Página x por Lev Davidovich Landau, ‎E. M. Lifshitz, ‎Lev Petrovich Pitaevskii - 1986.

Fronteras de la Física en el Siglo XXI - Página 108 por Octavio Miramontes, ‎Karen Volke - 2013.

Cerebro y universo. Dos cosmologías - Página 161 por David Jou i Mirabent - 2011.
Superconductividad Wikipedia.