Vida de la Cienci~ A FENOMENOLOGIA Y PROBLEMAS ACTUALES DE LOS SUPRACONDUCTORES CALIENTES

U ANDO EN 1985 ALEX e MÜLLER Y GEORG BEDNORZ, científicos del Centro de Investi­gaciones de I.B.M. de

Zurich (Suiza), descubrieron que cier­tas cerámicas a base de cobre y de lantano conducían la electricidad sin resistencia hasta la temperatura de 28K (-245 grados C), los físicos que trabajaban en Supraconductividad a duras penas si creyeron.

Como ambos científicos no eran especialistas de dicho dominio, muchos pensaron que podrían haber­se equivocado en las mediciones, lo que no es raro que suceda cuando se opera a bajísimos voltajes como es el caso en Supraconductividad.

La segunda razón es mucho más de fondo: los óxidos no son favorables a la formación del estado supraconductor; por tal razón, es difí­cil comprender el mecanismo por el cual dichos óxidos de cobre condu­cen a éste. Toca admitir en el fondo que este descubrimiento se debe parcialmente al hecho que Müller era justamente un especialista en óxidos y que desde hacía un cierto número de años no dejaba de sorprenderse con las propiedades fascinantes de las peroskitas. Después de asociarse con Bednorz y de haber realizado juntos muchos ensayos con diferen­tes compuestos, la suerte los condujo a estas cerámicas a base de óxidos de cobre que habían sido previamente sintetizadas por Bernard Raveau y Claude Michel en Caen (Francia). El "golpe sicológico" que recibieron este par de científicos fue duro, pues a pesar de que ellos investigaban estos compuestos a altas temperaturas por encima de la temperatura ambiente, desde hacía muchos meses atrás ve­nían pidiendo créditos para equipos

que permitieran mediciones a bajas temperaturas.

El descubrimiento, a pesar de todo, ha podido clasificarse dentro del capítulo de la supraconductividad "exótica" como ya se había hecho con ciertos compuestos orgánicos en el pasado. Sin embargo, a comienzos de 1987, Paul Chu de la Universidad de Houston (E.E.U.U.), logró sinteti­zar otro óxi do de cobre a base de itrio y de bario que poseía la transición supraconductora a 90K (-183 grados C); o sea, a 13 grados centígrados por encima de la temperatura de ebulli­ción del nitrógeno (-196 grados C). Este espectacular descubrimiento que representa hasta hoy otro rompeca­bezas para los teóricos, lanzó la más extraordinaria carrera científica de todos los tiempos: universidades y grandes empresas privadas pararon sus diferentes programas y pusieron a sus físicos a investigar estos nuevos compuestos. Aquí toca aclarar que

Fig. 7 Malla elemental de la p eroskita ABc; con sus diferentes átomos.

e

Colombia: Ciencia y Tecnología, Vol. 10 No. 4, Marzo de 1993

EDGAR HOLGUIN Jefe de Investigaciones

Física de Supraconductores Universidad de Lausana, Suiza

durante decenas de años la " popula­rización" de la supraconductividad había estado frenada por el excesivo costo del helio, gas utilizado por ex­celencia en el enfriamiento de los materiales. Para hacer una simple comparación, digamos que un litro de helio cuesta el precio de un litro de buen whisky, mientras que un litro de nitrógeno vale lo mismo que un litro de agua mineral. Es fácil, pues, com­prender que lo que no se podía reali­zar anteriormente por razones estric­tamente económicas, ahora quedaba al alcance de la mano. Un cálculo rápido realizado en aquel momento muestra lo que económicamente es­taba en juego: el mercado anual de las cerámicas representa en el mundo entero unos 100 mil millones de dóla­res y sobre esta base se piensa que el nuevo mercado de supraconductores podría inicialmente alcanzar hasta diez veces esa cifra. Citemos muy rápidamente algunos campos ya tra-

e

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Fig. 2 Malla elemental de la peroskita YB~ Cu p cfOn los diferentes átomos que la componen. Se indica igualmen­te la dirección del eje C.

dicionales de aplicación de los supraconductores : cables que permi­ten el transporte de la electricidad sin pérdidas, producción de fuertes cam­pos magnéticos generados por elec­troimanes y que son utilizados en múltiples dominios (experimentos en física del sólido, "scanners", ciclotrones o en túneles de colisión como focalizadores de partículas car­gadas, NMR), aparatos como los SQUID qu e p e rmiten detectar bajísimos campos magnéticos infe­riores de 1 O millones de veces al valor del campo terrestre, microscopios que trabajan por "efecto Josephson" y que pueden visualizar los átomos, etc. Adicionalmente no podemos olvidar que la historia de la humani­dad muestra que el ingenio del hom­bre ha aportado prodigiosas inven-

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ciones cada vez que se ha logrado "domesticar" una nueva tecnología. Es tal vez en este último punto que debe verse el formidable reto que estos supraconductores le han hecho a los científicos casi en el alba de un nuevo milenio.

Poco tiempo después la histo­ria del premio Nobel coronaría las ideas de Müller y Bednorz en 1987, mientras que las academias de dife­rentes países honraban a ciertos "dis­cípulos" tales como Chu, Maeda, Michel y otros que los sobrepasaron y escribieron con ellos este primer capítulo. Hoy, a finales de 1992, todavía hay miles de equipos traba­jando sobre estos materiales, pero también es cierto que muchos físicos se han retirado de la partida. En estas pocas páginas escribiré primeramen­te sobre las peroskitas a las cuales pertenecen estos materiales, luego daré una muy rápida visión sobre su fenomenología, relatando la evolu­ción histórica de algunos de ellos, y, finalmente, procuraré revelar algu­nos de los problemas encontrados con el fin de "domesticarlos". La vulgarización del presente texto hará que sea posible su comprensión con pocas bases científicas.

LAS PEROSKIT AS

La nueva clase de materiales supraconductores descubiertos des­de 1985, llamadas supraconductores calientes o de altas temperaturas, posee en común el hecho que son peroskitas. Inicialmente la peroskita era un mineral muy específico, el titanato de calcio, pero con el tiempo comenzó a designar un conjunto in­menso de compuestos cuya estructu­ra era similar a la del anteriormente citado. Estos minerales no son en lo absoluto raros sino todo lo contrario, puesto que son los más abundantes de la Tierra. Sus extraordinarias pro­piedades físicas son en gran parte debidas a defectos cristalinos que modifican ligeramente la estructura "peroskita ideal" correspondiente a la fórmula molecular ABCy en donde A, B y C son átomos diferentes. Los átomos A y B son cationes metálicos, llamados así por ser átomos metáli­cos que ceden electrones quedando cargados eléctricamente positivos. Di-

chos electrones son aceptados por los aniones no metálicos C que que­dan cargados negativamente. La molécula, sin embargo, permanece eléctricamente neutra.

Históricamente esta estructura peroskita ideal se estudió primera­mente en el titanato de calcio CaTiOy en donde los tres tipos de átomos Ca, Ti y O están presentes en la propor­ción 1-1-3. En el espacio, estos áto­mos se distribuyen geométricamente dentro de un cubo que se llama la malla elemental o unidad estructural de base (ver Fig.1 ). Un cristal por muy pequeño que sea, es la repetición de millones y millones de veces de la malla elemental. Por otra parte, la distribución de estos átomos se reali­za según leyes muy precisas y que son como siguen: en el centro del cubo se coloca el átomo metálico más pesado (A) y en los vértices del mismo los de tipo (B), mientras que los átomos no metálicos de tipo (C) se ponen sobre las aristas. Puede parecer curioso que la fórmula molecular sea ABC

3 y no AB

8C

12; sin

embargo, no toca olvidar que cuando se habla de fórmulas moleculares se subentiende la noción de cristal. Esto significa, por ejemplo, que cada áto­mo (B) de un vértice hace parte de 8 cubos adyacentes. De la misma ma­nera, cada átomo sobre una arista es compartido por 4 cubos adyacentes. De allí que, en realidad, a la malla elemental le corresponda sólo una fracción del número total de átomos.

Las nuevas peroskitas supra­conductoras tienen una malla ele­mental más compleja formada por varios cubos superpuestos. El primer compuesto en presentar la transición supraconductora a 90K (-183 grados C) por encima de la temperatura de ebullición del nitrógeno a 77K (-196 grados C) fue el Y-Ba-Cu-0, descu­bierto como ya se dijo anteriormente por Chu en 1987. Las Figs. 2 y 3 muestran sus dos variantes extremas de fóm1ulas YBa

2Cu

30

6 e YBa

2Cu

3Q

7,

llamadas usualmente 1-2-3 por lo que los tres tipos de átomos Y,Ba y Cu aparecen en dicha proporción.

Las peroskitas ideales son en general aislantes, debido a que todos los sitios cristalinos están ocupados y

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porque las fuertes atracciones iónicas inmovilizan los átomos y los electro­nes en su vecindad. Sin embargo, es tas adquieren sus diferentes pro­p iedades eléctricas o magnéticas cuando su estructura es deformada, también por variaciones en su com­posición química o simplemente por­que existen sitios cristaiinos vacan­tes. Las propiedades físicas de los nuevos supraconductores son muy sensibles a la composición química; por ejemplo, en el caso del compues­to 1-2-3, la variante YBa

2Cu

30

7 es

" mejor" supraconductor que la YBa

2Cu

30

6. En ambos casos, sin em­

bargo, los planos de cobre parecen jugar un papel determinante en la formación del estado supraconductor. Sin que se haya logrado esclarecer este misterio, se puede decir que estos planos de cobre son también comunes a otros sistemas, tales como los de bismuto, y de talio, descubier­tos posteriormente. Los principales están situados perpendicularmente al " eje C'' que se define según la dirección de los átomos más pesados (ver Fig.2 como ilustración).

FENOMENOLOGIA DE LOS SUPRACONDUCTORES CALIENTES

Cuando se descubrieron lo pri­meros supraconductores a base de óxidos de cobre, la gran mayoría de los físicos que comenzaron a trabajar en este dominio tuvieron que apren­der a fabricarlos. En efecto, estos materiales se sintetizan a altas tempe­raturas (típicamente alrededor de unos 800 grados C) por reacciones químicas a partir de polvos de com­posición diferentes. El compuesto resultante está constituido por gra­nos de dimensiones del orden de 1 micrón (una milésima de milímetro). La primera cosa que salta a la vista es la increíble complejidad de estos materiales con relación a los supra­conductores convencionales, usual­mente constituidos por un único ele­mento químico (Sn, In, Pb, .. ) o por un par de ellos (Pb-ln,Nb-Ge,V-Ga, ... ). Para comprender mejor este punto, tomemos la evolución histórica de los compuestos a base de bismuto:

En 1987 Michel y su grupo lo­graron sintetizar compuestos del sis-

tema Bi-Sr-Cu-0. Esta nueva clase de supraconductores no sólo no contie­nen tierras ra ras, sino que además tienen la particularidad de poseer una estructura cristalina diferente a los de los sistemas La-Sr-Cu-O e Y-Ba-Cu-0. Inicialmente no hubo mayor atrac­ción por estos compuestos esencial­mente debido a dos razones. La p rimera entre ellas era porque el material poseía la transición supraconductora, llamada frecuente­mente temperatura crítica, cercana a los 20K (-253 grados C); o sea, casi 60 grados C por debajo de la temperatu­ra del nitrógeno líquido. La segunda, siendo no menos importante, se de­bía a que dichos compuestos eran magnéticamente basLante "decepcio­nantes". El descubrimiento posterior realizado en 1988 por Maeda y su grupo, mostrando que se lograba tre­par la temperatura crítica por encima de 1 OOK (-1 73 grados C) si se añadía

Fig. 3 La malla elemental de la peroskita YBa 2 Cu3 O

7es idéntica a la de YBaCuO,

pero con los oxígenos adicionales que sólo se muestran en la figura.

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calcio, fue acogido con un gran inte­rés en aquel año. Si bien se logró un indiscutible éxito, también se consta­tó que en el nuevo sistema Bi-Sr-Ca­Cu-0 así formado pueden coexistir varias fases supraconductoras, comen­zando por la fase original descubierta por Michel cuya composición es Bi

2Sr

2CuO, llamada también la fase

2-2-0-1, e~ donde el subíndice "y" significa que el oxígeno es variable; la segunda entre ellas, llamada común­mente la fase 2-2-1-2, posee la com­posición Bi

2Sr

2CaCu

20 y la transición

supraconductora a 80K (-193 grados C) ... justo por encima de la temperatu­ra del nitrógeno líquido; para finali­zar, la fase llamada 2-2-2-3, tiene la composición Bi

2Sr

2Ca

2Cu

30 y una

temperatura crítica ce rcan a a 11 OK (-163 grados C). Esta última fase que es sin duda alguna la más interesante, aparece lamentablemen­te en minoría ocupando menos del 10% del volumen total del compues­to. En el curso de este mismo año, muchos grupos científicos se consti­tuyeron con el objetivo de reforzarla y estabilizarla. Los trabajos de Takano y su grupo mostrando que pequ eñas cantidades de plomo podrían lograr este efecto, serán de gran valor para otros grupos de investigadores tales como los de Collocott u Holguín que acabarán por aislarla comple­tamente con la composición final (Bi 1_xPbJ 2Sr2Ca2Cu

30Y. Nótese que

para poder realizar la síntesis de este nuevo compuesto, en donde "x" par­tes de bismuto han sido reemplaza­das por plomo, se necesitaron seis elementos químicos, lo que represen­ta un número considerablemente su­perior si se compara con los supra­conductores convencionales. El lec­tor puede fácilmente imaginar que la dificultad en describir a escala micros­cópica cualquier sistema físico es di­rectamente proporcional al número de sus constituyentes. En esto reside indiscutiblemente una de las princi­pales causas de los "tropezones" teó­ricos encontrados hasta el momento.

Los estudios efectuados por medio de microscopía electrónica con el fin de ·determi n ar la microestructura de estas cerámicas, muestran que adicionalmente se for­man otras fases de propiedades físi-

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Fig. 4 La microestructura de las nuevas cerámicas está compuesta por granos "supraconductores ( medio Abrikosov) cu­yos contactos forman el "medio }osephson'~ de fases no supraconductoras y huecos

cas muy variables y que pueden clasificarse como semiconductoras, metálicas o aislantes. Además de espacios vacíos o "huecos". Mante­niéndonos dentro del tema de los supraconductores de bismuto, pode­mos citar la formación de fases no supraconductoras tales como (Ca

1.

x a Sr J 2 e U Ü 3 , p be a 2 Ü 4 , (ea l. xSrJCu

20

3,Bi

20

2 o CuO) que pueden

llegar a formar grandes ¿ominios den­tro de la cerámica. Aprovechemos ahora el relato de toda esta historia para tratar de hacer la definición siguiente (ilustrada en las Figs. 4 y 5):

( 1) Los supraconductores ca­lientes son granulares. Los experi­mentos muestran que el valor del campo magnético necesario a la des­trucción total de la supracon­ductividad en los granos, denomina­do campo crítico superior Hc

2, puede

alcanzar hasta 100 teslas a la tempe­ratura extrapolada de OK (-2 7 3 grados C). Esto corresponde a alrededor un millón de veces el valor del campo magnético terrestre que es de 1 gauss aproximadamente. Por analogía con los supraconductores convenciona­les, se dice que los granos forman el "medio Abrikosov" caracterizado por tener una fuerte supraconductividad. Si los campos aplicados son inferiores al valor del campo crítico inferior Hci' típicamente de 1000 gauss, entonces estos no pueden penetrar totalmente dentro de los granos. El apan­tallamiento de cada grano se realiza

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por medio de una corriente eléctrica intragranular que circula en una capa de su superficie llamada la "profundi­dad de penetración". Los experimen­tos llevados a cabo sobre monocristales muestran que las pro­piedades físicas (tales como la resistividad, profundidad de penetra­ción, longitud de coherencia y otras) son fuertemente anisotrópicas; o lo que es lo mismo, muy dependientes de la dirección en que se mide, ya sea paralelamente o perpendicularmen­te a los planos de cobre. Relevemos el hecho fundamental que en estos nuevos supraconductores el valor de la "longitud de coherencia" es muy pequeño, alcanzando a duras penas unos 1 O angstroms (/la millonésima parte de un milímetro/). Como esta longitud mide aproximadamente la distancia espacial necesaria a la for­mación de la supraconductividad, se puede concluir que en estos supraconductores ella aparece casi a nivel de los átomos. Esta situación es radicalmente diferente a la de los supraconductores convencionales, cuya "longitud de coherencia" tiende tremendamente a disminuir a medida que la temperatura crítica aumenta.

(2) Los contactos entre los gra­nos, sitio en donde a menudo se depositan las diferentes fases no supraconductoras, forman una red de "uniones Josephson". Esto signifi­ca que la corriente eléctrica pasa entre los granos por "efecto túnel",

fq,,.J<:. ~o J<4frq_,c o'>ol.u e torQ.

~rqno

J\lfrq(ono/.<.1c io,-

fenómeno ya explicado en los supraconductores convencionales por Josephson y cuyos trabajos por los años 60 fueron posteriormente coro­nados con el Premio Nobel. ¿En qué consiste dicho fenómeno que no tie­ne ningún sustento material a la esca­la en que vivimos? Veámoslo con el siguiente ejemplo que es puramente especulativo: "Si lanzamos una pelo­ta de tenis contra un muro, la expe­riencia cotidiana nos dice que ésta rebotará. Si por el contrario, ahora le disparamos un cañonazo, la bola de cañón pasará a través de éste derrum­bándolo. El efecto túnel consistiría en lanzar la pelota de tenis y constatar que ésta ha atravesado el muro, pero sin haberle hecho el menor hueco ... " Por tal razón, hoy se acostumbra a decir que en los supraconductores calientes las uniones forman el "me­dio Josephson". Este nuevo medio posee una supraconductividad débil que puede ser destruida con campos externos cuyos valores son a duras penas de algunas decenas de gauss. Su importancia reside en que condi­ciona las propiedades electromagné­ticas de las cerámicas constituidas por millones de granos. Por ejemplo, el "efecto Meissner" que consiste en el apantallamiento magnético exter­no global realizado por una cerámica ante un campo magnético externo de valor digamos inferior a Hb, se debe a una corriente intergranular y no a

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corrientes confinadas en los granos (ver Fig.5). De igual manera, los bajos valores de las corrientes críticas que en las mejores cerámicas alcanzan 1000 A/cm2

, siendo muy compara­bles a los observados en los supraconductores de tipo 1, se deben exclusivamente al medio Josephson y no al Abrikosov. Aclaremos el hecho que las corrientes críticas son medi­das justo cuando aparece el voltaje en la muestra, lo que indica que la supraconductividad está siendo des­truida. Por consiguiente, ellas miden la máxima densidad de corriente que se puede transportar en un supraconductor sin pérdidas (oh micas).

(3) Si la densidad de la cerámica se aleja de un cierto valor ideal, en­tonces se crean dentro de ella "hue­cos o vacíos" así como diferentes fases no supraconductoras. Estas re­giones pueden llegar a ocupar un volumen apreciable de la cerámica y explican en parte su diversidad de comportamiento electromagnético. Como ejemplo, citemos el valor pro­medio de la resistividad que es de 1 miliohmio por centímetro en los com­puestos de Y-Ba-Cu-0 a temperatura ambiente, pudiendo variar fácilmen­te de más o menos 50% según que la densidad difiera del valor ideal de 6.36 g/ cm 3

•

Estos tres puntos, a defecto de dar una definición rigurosa de lo que son los supraconductores calientes, tienen por lo menos el mérito de mostrar claramente sus aspectos so­bresalientes descubiertos hasta el momento.

PROBLEMAS ACTUALES Y CONCLUSION

Hoy en día, después de casi 7 años de lucha, los físicos han podido caer en cuenta que no sólo es sufi­ciente descubrir un supraconductor caliente, sino que además es indis­pensable que el material tenga toda una serie de características técnicas para que pueda utilizarse en las aplicaciones. Aquí cabe recordar que los supraconductores convenciona­les metálicos son dúctiles, maleables y poseen propiedades electromagné­ticas altamente reproductibles que,

salvo en casos excepcionales, son inalterables en el curso del tiempo. Como se vio anteriormente, las carac­terísticas de los nuevos supracon­ductores dependen de innumerables factores que entran en juego desde su preparación, siendo muy difíciles de reproducir sistemáticamente. Men­cionemos el hecho que estos materia­les son todos quebradizos y que se deterioran rápidamente en el curso del tiempo de no tomar serias precau­ciones con el fin de protegerlos. Agre­guemos también en esta dura lista de quejas que algunos entre ellos, tales como los compuestos de Y-Ba-Cu-0, pierden fácilmente el oxígeno en su superficie, lo que conduce a la des­aparició n local de la supracon­ductividad. Seríamos también desho­nestos si omitimos decir que los com­puestos de talio deben manejarse

medio Abrikosov que es lo que se busca aprovechar. Persiguiendo rea­lizar este objetivo, los investigadores básicamente han optado por seguir dos vías complementarias que ex­pondré a continuación:

(a) La primera ha sido tratar de "reforzar" el medio Josephson, bus­cando que sus propiedades se acer­quen lo más posible a las del medio Abrikosov. Por la experiencia del pasado que data desde 1930 cuando W.J. de Haas y J. Voogd, trabajando con compuestos de Pb-Bi hicieron la insólita observación que su valor de Hc

2 era de 1.7 teslas (nótese al pasar

que este valor es casi 60 veces infe­rior al de los supraconductores calien­tes), los físicos saben que las aleacio­nes pueden tener muy altos campos magnéticos críticos superiores, lo que es de una gran importancia tecnológi-

La figura 5 muestra los dos grandes caminos supraconductores que existen en las nuevas cerámicas: uno que pasa por entre los granos (corriente intergranular /) y el otro que está confinado en cada grano (corrientes intragranulares i).

con tremenda cautela por ser peligro­sos para la salud.

Cuando estudiamos la fenome­nología de estos materiales, se subra­yaron ciertos aspectos muy impor­tantes. Uno er:itre ellos fue que las propiedades electromagnéticas se promedian muy desfavorablemente dentro de una cerámica, cosa que está ligada al medio Josephson. En otro, por el contrario, se mostró que una fuertísima supraconductividad existe en los granos formantes del

ca. Las teorías que fueron elaboradas decenas de años más tarde, muestran simplemente que las impurezas pue­den actuar como" centros de anclaje" ( en inglés "pinning centers"), rete­niendo a las líneas de campo que se cuantifican ( en inglés "vortices") den­tro de los supraconductores (ver Fig.6 ). En presencia de corrientes y de cam­pos magnéticos externos, las corrien­tes críticas se miden cuando las "fuer­zas de arrastre" que se crean dentro del supraconductorvencen a las "fuer-

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