CIENCIA. ¿Cómo funcionan los superconductores?

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Un equipo usó una cámara de presión, que comprime las muestras a 1,7 millones de veces la presión atmosférica, para fabricar hidruro de lantano, que resultó ser superconductor a -23 °C. Tomas Hartmann

25 marzo 2023.- El mundo moderno funciona con electricidad, y los cables son los que llevan esa electricidad a todas las luces, televisores, sistemas de calefacción, teléfonos celulares y computadoras del planeta. Desafortunadamente, en promedio, alrededor del 5% de la energía generada en una planta de energía solar o de carbón se pierde a medida que la electricidad se transmite desde la planta hasta su destino final. Esto equivale a una pérdidas de miles de millones de dólares.

Durante décadas, los científicos han estado desarrollando materiales llamados superconductores que transmiten electricidad con una eficiencia de casi el 100 %.  Recientemente, los investigadores han hecho un progreso significativo hacia el desarrollo de superconductores que pueden funcionar a temperaturas y presiones relativamente normales .

Para ver por qué estos avances recientes son tan emocionantes y qué impacto pueden tener en el mundo, es importante entender cómo funcionan los materiales superconductores.

La mayoría de los materiales ofrecen resistencia cuando la electricidad los atraviesa y se calientan. La resistencia es cómo los filamentos de una bombilla incandescente producen luz. Ulfbastel/Wikimedia Commons , CC BY-SA


Un material sin resistencia

Un superconductor es cualquier material que conduce la electricidad sin ofrecer resistencia al flujo de la corriente eléctrica.

Este atributo libre de resistencia de los superconductores contrasta dramáticamente con los conductores estándar de electricidad, como el cobre o el aluminio, que se calientan cuando la corriente pasa a través de ellos. Esto es similar a deslizar rápidamente la mano sobre una superficie lisa y resbaladiza en comparación con deslizar la mano sobre una alfombra áspera. 

La alfombra genera más fricción y, por tanto, más calor también. Las tostadoras eléctricas y las bombillas incandescentes de estilo antiguo usan resistencia para producir calor y luz, pero la resistencia puede plantear problemas para la electrónica . Los semiconductores tienen una resistencia inferior a la de los conductores, pero aún superior a la de los superconductores.

Otra característica de los superconductores es que repelen los campos magnéticos. Es posible que haya visto videos del fascinante resultado de este efecto: es posible hacer levitar imanes sobre un superconductor.

¿Cómo funcionan los superconductores?

Todos los superconductores están hechos de materiales que son eléctricamente neutros, es decir, sus átomos contienen electrones cargados negativamente que rodean un núcleo con el mismo número de protones cargados positivamente.

Si conecta un extremo de un cable a algo que tiene carga positiva y el otro extremo a algo que tiene carga negativa, el sistema querrá alcanzar el equilibrio moviendo los electrones. Esto hace que los electrones en el cable traten de moverse a través del material.

A temperaturas normales, los electrones se mueven en caminos algo erráticos. Por lo general, pueden lograr moverse libremente a través de un cable, pero de vez en cuando chocan con los núcleos del material. Estas colisiones son las que obstruyen el flujo de electrones, provocan resistencia y calientan el material.

Los núcleos de todos los átomos están en constante vibración. En un material superconductor, en lugar de revolotear al azar, los electrones en movimiento pasan de un átomo a otro de tal manera que se mantienen sincronizados con los núcleos que vibran. Este movimiento coordinado no produce colisiones y, por lo tanto, tampoco resistencia ni calor.

Cuanto más frío se vuelve un material, más organizado se vuelve el movimiento de electrones y núcleos. Esta es la razón por la cual los superconductores existentes solo funcionan a temperaturas extremadamente bajas .

Los materiales superconductores permitirían a los ingenieros instalar muchos más circuitos en un solo chip de computadora. David Carron/Wikimedia Commons , CC BY-SA


Beneficios para la electrónica

Si los científicos pueden desarrollar un material superconductor a temperatura ambiente, los cables y circuitos electrónicos serían mucho más eficientes y producirían mucho menos calor. Los beneficios de esto serían generalizados.

Si los cables que se utilizan para transmitir electricidad se reemplazaran con materiales superconductores, estas nuevas líneas podrían transportar hasta cinco veces más electricidad de manera más eficiente que los cables actuales.

La velocidad de las computadoras está limitada principalmente por la cantidad de cables que se pueden empaquetar en un solo circuito eléctrico en un chip. La densidad de los cables a menudo está limitada por el calor residual Si los ingenieros pudieran usar cables superconductores, podrían colocar muchos más cables en un circuito, lo que conduciría a una electrónica más rápida y económica.

Finalmente, con los superconductores a temperatura ambiente, la levitación magnética podría usarse para todo tipo de aplicaciones , desde trenes hasta dispositivos de almacenamiento de energía.

Con avances recientes que brindan noticias esperanzadoras , tanto los investigadores que analizan la física fundamental de la superconductividad de alta temperatura como los tecnólogos que esperan nuevas aplicaciones están prestando atención.

Un imán levitando sobre un superconductor enfriado criogénicamente (concepto artístico). Fuente: KTSDesign/Science Photo Library

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