El extraño comportamiento de un metal superconductor a altas temperaturas

Un metal superconductor a altas temperaturas.

el fenómeno de Conductividad eléctrica en metales ha sido bien conocido por los físicos durante muchos años. También se sabe desde hace mucho tiempo que la temperatura afecta a los metales de varias formas. Por ejemplo, un aumento de temperatura aumenta la resistencia eléctrica del metal y una disminución de temperatura la reduce. Esto se explica por el hecho de que cuando aumenta la temperatura, los electrones tienen más energía cinética y por lo tanto se mueven más rápido y desordenadamente. Este es el fenómeno de la resistencia.

El aumento de la temperatura en metales magnéticos como el hierro, el cobalto y el níquel reduce su magnetización. Si la temperatura supera un cierto umbral, el metal pierde completamente su magnetismo. Este límite se llama temperatura de Curie. »

En los últimos años, otra clase de metales ha atraído un creciente interés por parte de los científicos: cupratos. Son metales que se comportan de manera diferente, especialmente en lo que se refiere a fenómenos relacionados con la electricidad.

Entre ellos, ahora habrá que añadir el nuevo material metálico, descubierto por el equipo de físicos detrás de este nuevo estudio, publicado en Naturaleza. Este material, que tiene un extraño comportamiento metálico, está compuesto por un óxido mixto de bario, cobre e itrio, denominado YBCO por simplicidad. Este metal «múltiple» se conoce desde hace algún tiempo por sus propiedades superconductoras a altas temperaturas.

Cuando hablamos de alta temperatura en el contexto de la superconductividad, debemos entender que no estamos hablando de temperatura caliente o muy alta. ¡Por lo contrario! La superconductividad “clásica” se produce a temperaturas cercanas al cero absoluto, es decir, -273,15 °C. Los metales como los cupratos son superconductores a temperaturas de 77 Kelvin o -196,15 °C, que sigue siendo una temperatura muy fría pero bastante «caliente» en términos de superconductividad.

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Parejas de Cooper, extrañas asociaciones

Cuando una corriente eléctrica circula en materiales metálicos de la familia de los cupratos, la electricidad no circula gracias a los electrones, sino gracias a partículas de la familia de los bosones, los pares de Cooper.

Un par de Cooper es una asociación de dos electrones que, en un momento dado, se encuentran en condiciones particulares que favorecen el apareamiento de dos electrones idénticos cargados negativamente. En un metal, los pares de Cooper pueden “deslizarse” uno sobre otro ya través de toda la red atómica sin ofrecer la menor resistencia.

La formación de un par de Cooper en un metal se puede explicar simplemente de la siguiente manera. Normalmente, un electrón en un metal se comporta y se mueve como una partícula libre. Los electrones se repelen entre sí porque tienen cargas eléctricas negativas idénticas. Por otro lado, atraen iones positivos de la red metálica rígida. Esta es una fuerte atracción que puede distorsionar esta red y acercarla a un electrón. La carga positiva atrae entonces a otros electrones. Si la energía de atracción es mayor que la energía de repulsión de los electrones, se aparean para formar un par de Cooper.

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Comportamiento extraño en un sistema bosónico

Los pares de Cooper actúan como bosones y, por lo tanto, siguen «reglas» diferentes a las de los electrones que son fermiones. Los cupratos, que contienen pares de Cooper, adoptan un comportamiento superconductor y, por lo tanto, conducen la electricidad sin resistencia a temperaturas mucho más altas que los superconductores convencionales.

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Lo que llamó la atención de los investigadores fue que incluso cuando alcanzan la temperatura crítica de superconductividad, los cupratos continúan con su extraño comportamiento metálico.

En los metales base, la resistencia aumenta con la temperatura, pero solo hasta cierto límite. Cuando se excede este límite, la resistencia se vuelve constante según la teoría del líquido de Fermi. Esto puede explicarse por el hecho de que los electrones que circulan en el metal chocan con la estructura atómica vibrante del metal a una temperatura determinada y se dispersan.

En cambio, en los cupratos, la resistencia aumenta linealmente con la temperatura sin encontrar un límite donde se estabilice. Los científicos ahora deben tratar de entender por qué los cupratos se comportan de esta manera. Esta comprensión allana el camino para muchas aplicaciones en el campo de las redes eléctricas o la informática, donde los ingenieros intentan constantemente limitar las pérdidas de energía.

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