• Se prevé que, según la concentración
de electrones en un material superconductor, la brecha de excitación
de energía de una sola de esas partículas pueda
presentar diferentes simetrías
• Esa predicción ha sido comparada con experimentos,
sobre todo de grupos científicos japoneses, con buenos
resultados, explico Luis Antonio Pérez, del IF
• La meta de científicos es encontrar ese material
a temperatura ambiente, que representaría una revolución
en el almacenamiento y transmisión de energía
eléctrica, y en las industrias medica, de transportes
y de cómputo
Luis Antonio Pérez López, investigador
del Instituto de Física (IF) de la UNAM, en colaboración
con Chumin Wang, del Instituto de Investigaciones en Materiales
de la UNAM, y Samuel Millán, de la Universidad Autónoma
del Carmen, Campeche, desarrolla una teoría que explique,
de manera unificada, la superconductividad con distintas simetrías.
Ese supuesto, inexistente hasta ahora, prevé que,
según la concentración de electrones en un material,
la brecha de excitación de energía de una sola de
esas partículas podría presentar diferentes simetrías.
Esto a su vez, implica que la capacidad calorífica
como función de la temperatura debe mostrar diferentes
comportamientos, dependiendo de la concentración electrónica
en un material dado. Esa predicción ya ha sido comparada
con experimentos en superconductores cerámicos, sabre todo
de grupos científicos japoneses, con buenos resultados.
EI conocimiento desarrollado por el universitario se
suma al de expertos de todo el mundo, que intentan encontrar un
material superconductor, capaz de conducir la electricidad sin
ninguna resistencia, a temperatura ambiente (300 Kelvin 0 27 grados
centígrados), que representaría una revolución
en la transmisión y almacenamiento de energía eléctrica,
y en industrias como la medica, de transportes y de computo.
Entre otros posibles adelantos, estarían el diseño
de escáneres de imagenología médica (resonancia
magnética nuclear) portátiles y económicos;
supercomputadoras ultra-rápidas del tamaño de una
caja de zapatos; coches eléctricos de bajo costo y no contaminantes,
o sistemas magnéticos para extraer impurezas del agua.
La superconductividad, dijo Pérez López,
es un estado de la materia que se produce cuando en algunos materiales
que están por debajo de cierta temperatura, llamada crítica
(Tc), los electrones se agrupan en pares y permiten la conducción
de la electricidad sin resistencia. No sólo eso, también
presentan diamagnetismo perfecto, es decir, expulsan el campo
magnético de su interior.
Existen dos clases de superconductores: los convencionales
o de baja temperatura crítica (de entre unos cuantos Kelvin
hasta 23 Kelvin), y los anisotrópicos, que incluyen los
orgánicos, el rutenato de estroncio, y los cerámicos
o de alta temperatura crítica (por arriba de los 77 Kelvin).
La naturaleza de la superconductividad en ambos casos
parece ser diferente, y "aun no existe consenso entre la
comunidad científica de cual es el mecanismo que le da
origen, en el segundo caso".
Los convencionales se descubrieron en la primera mitad
del siglo pasado, relató. Se trata de metales como el plomo,
el aluminio y el mercurio, así como algunas aleaciones
metálicas.
Para explicarlos, a mediados del siglo pasado se propuso
una teoría basada en la interacción electrón-electrón,
mediada por fonones (modo cuantizado de vibración de la
red de átomos en un material), que permite que dos electrones,
a pesar de tener cargas opuestas, formen pares.
AI respecto, Pérez expuso que en la red de átomos
de un material, un electrón puede "crear" un
fonon o vibración, y mandárselo a otro. Bajo ciertas
condiciones, esa interacción puede ser atractiva y así
se forma un par. Pero los pares y, en consecuencia, la superconductividad,
solo pueden romperse cuando se introduce un mínimo de energía,
conocida como brecha superconductora.
Los cerámicos, en tanto, fueron descubiertos en
1986. Su brecha, a diferencia de los superconductores convencionales,
es anisotrópica y se caracteriza par tener un comportamiento
esencialmente bidimensional, sostuvo el experto.
Sabre el tema, menciono que esos materiales están
formados por planos de cobre-oxigeno. Entre ellos, hay átomos
de tierras raras que le quitan electrones a esas "capas";
cuando eso ocurre, el material pasa de ser antiferromagnético
a superconductor.
La conducción eléctrica se da sobre tales
planos. La temperatura crítica en este caso es alta, par
ejemplo de 90 Kelvin o 183 grados centígrados bajo cero
en compuestos como el de itrio, bario, cobre y
oxigeno (YbaCuO). Aunque parece muy "fría", está
por arriba de la necesaria para obtener nitrógeno liquido
(77 Kelvin), que se puede usar para enfriar y mantener un material
en su estado superconductor a bajo costo.
La brecha en los superconductores de alta Tc es anisotrópica
porque su magnitud depende de la dirección en la que es
examinada. De ese modo, en dos direcciones, perpendiculares entre
sí, dicha brecha es cero. Esa simetría se conoce
como "d".
Pero existe otro material, parecido a los superconductores
anteriores, que en lugar de planos de cobre-oxígeno los
tiene de rutenio-oxígeno. Su Tc es pequeña, apenas
1.5 Kelvin, y aunque en principio no tendrían ninguna aplicación
practica porque resultaría costoso bajar la temperatura
a esos niveles, son interesantes para entender por qué
el cobre da lugar a temperaturas críticas mas altas, y
el rutenio a otras menores, considero el científico.
En este material, la brecha superconductora tiene simetría
impar o "'p". "Esa diferencia modifica en uno o
dos ordenes de magnitud la temperatura crítica; de ahí
que sea importante entenderla". Y una tercera simetría
es la "s" o esférica, que corresponde a los superconductores
convencionales.
Se puede obtener un indicio de que tipo de simetría
tiene una brecha superconductora con la observación del
comportamiento de la capacidad calorífica como función
de la temperatura en un material dado, sostuvo Pérez López.
La teoría del universitario se basa en lo que
se conoce como "salto correlacionado" o interacción
de carga-enlace, es decir, en la interacción entre la densidad
electrónica asociada a un átomo con la asociada
al enlace entre dos átomos vecinos. Dependiendo de los
parámetros utilizados, se pueden tener las tres simetrías
"s", "p" o "d" dentro del mismo
modelo teórico.
"Éste predice correctamente la concentración
de electrones a la que ocurren las diversas simetrías,
los diferentes órdenes de magnitud de las correspondientes
temperaturas críticas, y también describe el comportamiento
de la capacidad calorífica electrónica como función
de la temperatura".
Los trabajos del científico, dados a conocer en
congresos internacionales y prestigiadas revistas como Journal
of Physics and Chemistry of Solids, Solid State Communications,
y Journal of Magnetism and Magnetic Materials, han
llamado la atencion de físicos experimentales de otros
países.
Ahora, Luis Antonio Pérez López y sus colegas
pretenden generalizar su teoría para incluir un campo magnético
externo y determinar como varían las propiedades físicas
de un sistema superconductor. Para ello, se necesitará
reformular ecuaciones que describen dichas propiedades. Una vez
hecho, compararán sus resultados con experimentos, para
tener un mayor soporte de su propuesta.
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