Fundamentos de la Superconductividad, Parte I: Introducción.

La superconductividad fue descubierta en 1911 por H. Kammerlingh Onnes en Leiden. Él observó que cuando se enfriaba una muestra de mercurio, su resistencia desaparecía de forma brusca y aparentemente por completo a los 4.2 K. En un experimento con mayor sensibilidad, en el que se utilizaba una corriente permanente inducida en una espira de alambre superconductor, Kammerlingh Onnes estimó que la resistencia en el estado superconductor era cuando mucho 10^(-12) veces la resistencia en el estado normal. En experimentos más recientes, en el MIT, se encontró que una corriente inducida de varios cientos de amperios en un anillo de plomo superconductor  no mostró cambio en la intensidad de la corriente durante un periodo de por lo menos un año, lo que proporcionó una clara prueba de que la resistencia en el estado superconductor es, en efecto, cero. Se sabe ahora que por lo menos 20 elementos y cientos de aleaciones y de compuestos intermetálicos son superconductores con temperaturas que varían bastante menos de 1K (por ejemplo, 0.121 K para el hafnio) hasta alrededor de 23 K, como en el compuesto de perowskita que contienen ligaduras de cobre u oxígeno (estos últimos materiales tienen temperaturas de transición de hasta 100 K en algunos casos). La temperatura de transición, o crítica, es aquella en que tiene lugar el cambio del estado normal al de superconductor y es característica del material particular que se está estudiando. La temperatura crítica depende, hasta cierto punto, tanto de la pureza química  del material como de la perfección cristalina de la muestra. En realidad, la falta de homogeneidad de pureza  y tensión de la muestra generalmente tiende a ampliar el intervalo de temperatura de transición entre los estados normal y superconductor. Una muestra pura y bien templada puede presentar en su temperatura de transición un intervalo tan pequeño como 0.001 K.

Si se aplica un campo magnético lo suficientemente grande paralelo a un alambre superconductor, se verá que la muestra se vuelve normal. La magnitud del campo que origina la transición  depende tanto del material como dela temperatura, y es llamado campo crítico. 

Si se aplica un campo en alguna otra dirección, la muestra empezará a volverse normal cuando el campo alcance en cualquier punto de la superficie el valor del campo crítico. La forma de la curva temperatura-campo es generalmente parabólica  y está dada en una buena aproximación por la ecuación:

donde Hc es el campo crítico, T la temperatura absoluta de observación y Ho y Tc representan las características de la muestra (temperatura crítica para el campo cero y campo crítico para la temperatura de cero absoluto). Además de ampliar la transición, las homogeneidades pueden tener también un efecto marcado en Ho, aumentándolo a veces varios ordenes de magnitud. 

En los orígenes de la superconductividad, la aplicación de las ecuaciones de Maxwell a un conductor perfecto llevó a la conclusión de que la variación con respecto al tiempo de la inducción magnética en el interior de un superconductor debería ser cero. De este modo, dependiendo de que la muestra s enfriara por debajo dela temperatura de transición, en ausencia o en presencia de un campo magnético, el flujo magnético debía ser atrapado o excluirse. Esta idea arraigó tan fuertemente que no fue sino hasta 1933 cuando W. Meißner y R. Ochsenfeld comprobaron experimentalmente que la hipótesis era falsa y que, en todos los casos, independientemente de que la muestra se enfriara dentro o fuera de un campo magnético, la inducción magnética en un superconductor es cero.. A este efecto se le llama exclusión de flujo o efecto Meißner. Una afirmación esencialmente equivalente es que el superconductor se comporta como si tuviera permeabilidad cero o una susceptibilidad diamagnética perfecta. La importancia principal del  efecto Meißner es que demuestra que un superconductor se caracteriza por propiedades electromagnéticas más complejas que la simple conductividad infinita. Cualquier explicación satisfactoria de la superconductividad debe considerar de forma natural tanto la resistividad nula como el efecto Meißner.

Debido al efecto Meißner, para campos magnéticos aplicados menores que el campo crítico Hc, el campo no penetra en la muestra y esta permanece en su estado de superconductividad; para campos mayores, este penetra y el estado de superconductividad se destruye. Hablando estrictamente, estas afirmaciones describen el comportamiento magnético de los llamados superconductores de tipo I. Existe otro tipo de superconductor  (de tipo II), y aquí el comportamiento magnético es más complicado: a bajos campos magnéticos el flujo se excluye completamente (tal como sucede en el comportamiento de tipo I), lo que persiste hasta un campo crítico más bajo Hc1. Para campos por encima de este valor, el flujo penetra parcialmente, pero la superconductividad no se destruye hasta que el flujo penetra completamente al campo crítico de valor más alto Hc2. Entre estos dos valores críticos el tipo II  no presenta un efecto Meißner perfecto.

Desde que Kammerlingh Onnes descubrió la superconductividad, sean hecho denodados esfuerzos para hallar materiales superconductores con la más alta temperatura de transición posible. Sin embargo, lo sumo logrado fue una temperatura crítica de 23 K. Entonces, en 1986, Bednorz y Müller descubrieron la superconductividad de una nueva clase de materiales; se trataba de un compuesto de perowskita, que contenía capas de cobre y átomos de oxígeno, con una temperatura critica por encima de los 30 K. Este descubrimiento estimuló intensamente la investigación sobre esta nueva clase de cerámicos superconductores, y al inicio de 1987 se encontraron materiales con Tc mayores que los 90 K. 

Desde el punto de vista teórico se ha avanzado mucho, comenzando con la aplicación de la termodinámica a la transición de superconductividad llevada a cabo por W.H. Keesom en 1924. Luego, en 1934, C.J. Gorter y H. Casimir desarrollaron una explicación fenomenológica de la transición de segundo orden y de otras propiedades, basados en modelos de fluidos. Este trabajo fue continuado por H. y F. London, teniendo en cuenta el efecto Meißner. Pero hasta 1950 en que se descubrió el  efecto isotópico, fueron pocos los trabajos teóricos dirigidos con éxito hacia la teoría microscópica de la superconductividad. Sin embargo, en 1950, H. Fröhlich desarrolló una teoría basada en la interacción de electrones con átomos vibrando en la red cristalina, que explicaba el efecto isotópico, pero no conseguía predecir otras propiedades del estado superconductor. Entonces, en 1957, J. Bardeen, L. Cooper y J. Schrieffer desarrollaron una teoría mecánico quántica de la superconductividad que ha tenido mucho éxito. Esta última teoría (teoría BCS) tiene en cuenta de una forma natural la transición de fase de segundo orden, el efecto Meißner y otras propiedades termodinámicas y electromagnéticas de los superconductores. Según la teoría BCS, la superconductividad se manifiesta como una transición de fase que surge de un apareamiento de electrones. Este apareamiento es el resultado de la interacción de los electrones con las vibraciones dela red en el material. En cierto modo, la superconductividad es análoga a la condensación de Bose-Einstein de pares ligados de electrones; ambos efectos son esencialmente mecánico quánticos y no tienen análogos clásicos.

La teoría BCS parece ser capaz de predecir, al menos cualitativamente, todos los resultados experimentales relacionados con la superconductividad, con la posible excepción de la superconductividad para alta Tc de las perowskitas de óxido de cobre. Pero aún en este último caso, parece que la transición de fase se inicia con el apareamiento de electrones, si bien el origen de la interacción puede ser la interacción electrónica con alguna otra excitación del cristal.