1. Superando la Energía Térmica:
A temperaturas más altas, la energía térmica (la energía asociada con el movimiento aleatorio de átomos y electrones) tiende a alterar la formación y el mantenimiento de los pares de Cooper. Estos pares de Cooper son pares de electrones que se forman debido a interacciones atractivas y son responsables del transporte sin pérdidas de corriente eléctrica en los superconductores. La energía térmica puede romper estos pares de Cooper, dificultando la superconductividad. A medida que la temperatura disminuye, la agitación térmica se reduce, lo que facilita que los pares de Cooper permanezcan unidos y que se produzca la superconductividad.
2. Interacciones electrón-fonón:
En los superconductores convencionales, la interacción entre los electrones y las vibraciones de la red (fonones) desempeña un papel crucial en la formación de pares de Cooper. Estas interacciones electrón-fonón generan una fuerza de atracción entre los electrones, lo que les permite superar su repulsión mutua de Coulomb y formar pares. Sin embargo, la eficacia de estas interacciones depende de la temperatura. A temperaturas más altas, las vibraciones de la red son más intensas, lo que provoca una mayor dispersión de electrones y una reducción de las interacciones entre electrones y fonones. Este debilitamiento del acoplamiento electrón-fonón hace que sea más difícil lograr la superconductividad.
3. Teoría BCS y la brecha energética:
La teoría BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), que proporciona la explicación microscópica de la superconductividad convencional, predice que el estado superconductor se caracteriza por una brecha de energía (Δ) por debajo de la energía de Fermi. Esta brecha de energía representa la cantidad mínima de energía necesaria para romper un par de Cooper y excitar el sistema desde su estado fundamental superconductor. A temperaturas más altas, las fluctuaciones térmicas pueden proporcionar suficiente energía para superar esta brecha energética, lo que lleva a la destrucción de la superconductividad. A medida que la temperatura disminuye, las fluctuaciones térmicas se vuelven menos energéticas, lo que hace más difícil romper los pares de Cooper y, por tanto, mejora la estabilidad del estado superconductor.
4. Temperatura crítica (Tc):
Cada superconductor tiene una temperatura crítica característica (Tc) por encima de la cual pierde sus propiedades superconductoras y pasa al estado normal, no superconductor. Tc representa la temperatura máxima a la que se puede mantener la superconductividad. El valor de Tc varía ampliamente entre los diferentes superconductores, desde unos pocos Kelvin (K) hasta temperaturas más altas. Cuanto mayor es la temperatura crítica, más resistente es el superconductor a las perturbaciones térmicas, lo que le permite exhibir superconductividad a temperaturas relativamente más altas.
Estos factores explican colectivamente por qué los superconductores suelen requerir bajas temperaturas para exhibir sus propiedades características. Lograr la superconductividad a temperaturas más altas sigue siendo un área activa de investigación y tiene un potencial significativo para diversas aplicaciones tecnológicas.
