En 1911, El físico Heike Kamerlingh Onnes tenía como objetivo reducir la temperatura del mercurio lo más cerca posible del cero absoluto. Esperaba ganar un desacuerdo con Lord Kelvin, que pensaba que los metales dejarían de conducir la electricidad por completo a temperaturas extremadamente bajas. Manipulando con cuidado un juego de tubos de vidrio, Kamerlingh Onnes y su equipo bajaron la temperatura del mercurio a 3 K (-454 F). Repentinamente, el mercurio conducía la electricidad sin resistencia. Kamerlingh Onnes acababa de descubrir la superconductividad.

Este único hallazgo condujo a una investigación mundial que abarcó un siglo. Si bien resolvió un debate científico, creó muchos más. La Oficina de Ciencia del Departamento de Energía y sus predecesores han pasado décadas apoyando a los científicos que investigan el misterio de por qué la superconductividad ocurre en una variedad de circunstancias.

La respuesta a esta pregunta ofrece grandes oportunidades para el desarrollo científico y tecnológico. Aproximadamente el seis por ciento de toda la electricidad distribuida en los EE. UU. Se pierde en la transmisión y distribución. Debido a que los superconductores no pierden corriente al conducir la electricidad, podrían habilitar redes eléctricas ultraeficientes y chips de computadora increíblemente rápidos. Enrollarlos en bobinas produce campos magnéticos que podrían usarse para generadores altamente eficientes y trenes de levitación magnética de alta velocidad. Desafortunadamente, Los desafíos técnicos con superconductores tradicionales y de "alta temperatura" restringen su uso.

"En la medida en que Tesla y Edison que introdujeron el uso de la electricidad revolucionaron nuestra sociedad, la superconductividad ambiental lo revolucionaría una vez más, "dijo J.C. Séamus Davis, un físico que trabaja con el Centro de Superconductividad Emergente, un Centro de Investigación de la Frontera Energética del DOE.

El cómo y el por qué de la superconductividad

El descubrimiento de Kamerlingh Onnes desató una gran actividad. A pesar de sus grandes visiones, la mayor parte de lo que encontraron los científicos solo reforzó las limitaciones de los superconductores.

Uno de los primeros grandes avances se produjo casi medio siglo después del hallazgo inicial de Kamerlingh Onnes. Si bien la mayoría de los investigadores pensaban que la superconductividad y el magnetismo no podían coexistir, Alexei A. Abrikosov propuso superconductores "Tipo II" que pueden tolerar campos magnéticos en 1952. Abrikosov continuó su investigación en el Laboratorio Nacional Argonne (ANL) del DOE y luego ganó el Premio Nobel de Física por sus contribuciones.

El siguiente gran salto se produjo en 1957, cuando John Bardeen, Leon Cooper, y John Robert Schrieffer propuso la primera teoría de por qué ocurre la superconductividad. Su teoría, posible gracias al apoyo del predecesor de DOE, la Comisión de Energía Atómica, También les valió el Premio Nobel de Física.

Su teoría contrasta cómo funcionan algunos metales en condiciones normales con cómo actúan a temperaturas extremadamente bajas. Normalmente, los átomos están empaquetados en metales, formando celosías regulares. Similar a los radios y varillas de Tinkertoys, Los iones cargados positivamente de los metales están unidos entre sí. A diferencia de, Los electrones libres cargados negativamente (electrones no ligados a un ión) se mueven independientemente a través de la red.

Pero a temperaturas extremadamente bajas, la relación entre los electrones y la red circundante cambia. Una opinión común es que las cargas negativas de los electrones atraen débilmente iones positivos. Como alguien tirando de la mitad de una goma elástica esta atracción débil extrae ligeramente los iones positivos fuera de lugar en la red. Aunque el electrón original ya ha pasado, los iones positivos ahora desplazados atraen ligeramente a otros electrones. Cerca del cero absoluto, La atracción de los iones positivos hace que los electrones sigan el camino de los que están frente a ellos. En lugar de viajar de forma independiente, se acoplan en pares. Estos pares fluyen fácilmente a través del metal sin resistencia, causando superconductividad.

Descubriendo superconductores totalmente nuevos

Desafortunadamente, todos los superconductores que los científicos habían encontrado solo funcionaban cerca del cero absoluto, la temperatura más fría teóricamente posible.

Pero en 1986, Georg Bednorz y K. Alex Müller en IBM descubrieron materiales a base de cobre que se vuelven superconductores a 35 K (-396 F). Otros científicos elevaron la temperatura superconductora de estos materiales a cerca de 150 K (-190 F), permitiendo a los investigadores utilizar nitrógeno líquido bastante común para enfriarlos.

En la ultima década, investigadores de Japón y Alemania descubrieron dos categorías más de superconductores de alta temperatura. Los superconductores a base de hierro existen en condiciones similares a las de cobre, mientras que los basados ​​en hidrógeno solo existen a presiones más de un millón de veces la de la atmósfera de la Tierra.

Pero las interacciones entre los pares de electrones y los iones en la red metálica que Bardeen, Cobre, y Schrieffer describió que no podía explicar lo que estaba sucediendo en los superconductores de alta temperatura a base de cobre y hierro.

"Nos metieron en un dilema, "dijo Peter Johnson, físico del Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL) y director de su Centro de Superconductividad Emergente. "Estos nuevos materiales desafiaron todas nuestras ideas existentes sobre dónde buscar nuevos superconductores".

Además de ser científicamente intrigante, este acertijo abrió un nuevo ámbito de aplicaciones potenciales. Desafortunadamente, La industria solo puede utilizar superconductores de "alta temperatura" para aplicaciones altamente especializadas. Todavía son demasiado complejos y costosos para usar en situaciones cotidianas. Sin embargo, Averiguar qué los hace diferentes de los tradicionales puede ser esencial para desarrollar superconductores que funcionen a temperatura ambiente. Debido a que no requerirían equipo de enfriamiento y podría ser más fácil trabajar con ellos, Los superconductores de temperatura ambiente podrían ser más económicos y prácticos que los disponibles en la actualidad.

Una característica compartida

Varios conjuntos de experimentos respaldados por la Oficina de Ciencias nos acercan a descubrir qué, si algo, Los superconductores de alta temperatura tienen en común. La evidencia sugiere que las interacciones magnéticas entre electrones pueden ser esenciales para explicar por qué ocurre la superconductividad a alta temperatura.

Todos los electrones tienen un giro creando dos polos magnéticos. Como resultado, los electrones pueden actuar como pequeños imanes de nevera. Bajo condiciones normales, estos polos no están orientados de una manera particular y no interactúan. Sin embargo, los superconductores de cobre y de hierro son diferentes. En estos materiales, los giros en los sitios de hierro adyacentes tienen polos norte y sur que alternan direcciones:orientadas al norte, Sur, norte, sur y así sucesivamente.

Un proyecto apoyado por el Centro de Superconductividad Emergente examinó cómo el orden de estos polos magnéticos afectaba sus interacciones. Los científicos teorizaron que debido a que los polos magnéticos ya apuntaban en direcciones opuestas, sería más fácil de lo habitual que los electrones se emparejen. Para probar esta teoría, correlacionaron tanto la fuerza de los enlaces entre los electrones (la fuerza de los pares de electrones) como la dirección de su magnetismo. Con esta técnica, proporcionaron evidencia experimental significativa de la relación entre la superconductividad y las interacciones magnéticas.

Otros experimentos en varios laboratorios nacionales del DOE han reforzado aún más esta teoría. Estas observaciones cumplieron con las expectativas de los científicos sobre lo que debería ocurrir si la superconductividad y el magnetismo están conectados.

Los investigadores de ANL observaron que un superconductor a base de hierro pasa por múltiples fases antes de alcanzar un estado superconductor. A medida que los científicos enfriaron el material, Los átomos de hierro pasaron de una estructura cuadrada a una rectangular y luego volvieron a una cuadrada. Por el camino, hubo un cambio importante en los polos magnéticos de los electrones. Si bien originalmente eran aleatorios, asumieron un orden específico justo antes de alcanzar la superconductividad.

En el Laboratorio Ames del DOE, Los investigadores encontraron que la adición o eliminación de electrones de un material superconductor a base de hierro cambiaba la dirección en la que fluía la electricidad con mayor facilidad. Los investigadores de BNL observaron que la superconductividad y el magnetismo no solo coexisten, pero en realidad fluctúan juntos en un patrón regular.

Desafortunadamente, La naturaleza compleja de las interacciones de electrones hace que sea difícil precisar exactamente qué papel juegan en la superconductividad.

La investigación en BNL encontró que a medida que los científicos enfriaban un material a base de hierro, Las direcciones de los giros de los electrones y su relación entre sí cambiaron rápidamente. Los electrones intercambiaron compañeros justo antes de que el material se volviera superconductor. Similar, La investigación en ANL ha demostrado que los electrones en los superconductores basados ​​en hierro producen "ondas" de magnetismo. Debido a que algunas de las ondas magnéticas se cancelan entre sí, solo la mitad de los átomos demuestran magnetismo en un momento dado.

Estos hallazgos brindan una nueva perspectiva sobre por qué los superconductores se comportan de la manera en que lo hacen. La investigación ha respondido muchas preguntas sobre ellos, solo para sacar a colación otras nuevas. Si bien los laboratorios han recorrido un largo camino desde el equipo soplado a mano de Kamerlingh Onnes, los científicos continúan debatiendo muchos aspectos de estos materiales únicos.