Pares de Cooper

SUPERCONDUCTIVIDAD. La disposición de los átomos en un metal forma una red tridimensional en la cual la distancia entre átomos vecinos es siempre la misma. Si hablamos de conducción eléctrica esto se traduce en una nube de electrones libres y, en lugar de la red de átomos, una red formada por los iones que los electrones han dejado al abandonar sus respectivos átomos. Todo ello no está fijo como pudiera aparecer en una fotografía, sino que está en una agitación constante que disminuye y aumenta con la temperatura. Por eso cuando los electrones se mueven formando el flujo de electrones en que consiste la corriente eléctrica, lo hacen con cierta dificultad produciendo choques que generan calor. A esta dificultad para moverse generando calor la llamamos resistencia eléctrica, que nos resulta de gran utilidad en un brasero o un secador de pelo, pero constituye una pérdida de energía cuando no se desea aprovechar este calor.

Si consiguiéramos bajar la temperatura del conductor a -273 grados centígrados la agitación térmica cesaría y en consecuencia la resistencia del conductor sería nula y podríamos utilizar la energía eléctrica sin pérdida de calor. Es entonces cuando podríamos hablar de superconductividad o decir que nuestro conductor alcanza la categoría de superconductor.

Llevando esto a cabo en un laboratorio se comprobó que cuando se empezaba a bajar la temperatura, como era de esperar, la resistencia bajaba con ella de forma lineal. Sin embargo, este descenso del valor de la resistencia solo sucedía así hasta un determinado valor de la temperatura, distinto para cada tipo de conductor, a partir del cual la resistencia caía bruscamente a cero. De esto se dedujo que además de la agitación térmica tenía que intervenir aquí otro fenómeno hasta entonces desconocido. Tras años de investigación, los científicos descubrieron que este fenómeno, que aparecía de repente cuando nadie lo esperaba, se debía a la formación de lo que ellos llamaron Pares de Cooper, cuya explicación nos lleva a la física cuántica.

Supongamos que un electrón va viajando a través de la red de iones positivos. Sucederá entonces que, a su paso, al ser sus cargas eléctricas respectivas de sentido contrario, atraerá a los iones próximos, dando lugar a un aumento en la densidad de cargas positivas en esa zona, que a su vez atraerá a un posible electrón que venga detrás. De esta manera se habrá producido una interacción entre estos dos electrones que formarán lo que se llama un par de Cooper. Tras su interacción los dos electrones responderán a la misma ecuación de onda, de manera que cada uno de ellos sabrá en cada momento lo que hace el otro, y su tránsito a través de la red de iones positivos será mucho más fácil que el que habrían encontrado por separado. Además, cuando se forma un par de Cooper los electrones pierden su carácter de fermiones, cambian su spin y se comportan como bosones, que son mucho más sociables que los fermiones y pueden viajar más apretaditos. En tercer lugar, sucede que la formación de pares de Cooper tiene lugar simultáneamente en todo el conductor por lo que la conducción eléctrica se convierte en la marcha de un pequeño ejército de pares de Cooper que no hay quien lo detenga. Como esto ocurre a una determinada temperatura, se explica así que en un mismo momento el valor de la resistencia caiga bruscamente. Esto es la superconductividad.

Si pretendiéramos crear un campo magnético muy elevado con conductores normales, se necesitarían tantas espiras que a partir de un determinado número de capas su efecto en la creación del campo sería prácticamente nulo, por lo cual los valores máximos de campo magnético que se pueden alcanzar están muy limitados. Por esta razón en estos casos es necesario utilizar superconductores. Entre las aplicaciones que utilizan campos magnéticos creados con superconductores se encuentran los aceleradores de partículas para investigación, cuyo centro más conocido es el CERN (fotografía de cabecera); los reactores de fisión nuclear del tipo Tokamak; los aparatos de resonancia magnética nuclear; y los aceleradores de protones que se emplean en terapias contra el cáncer.

Los superconductores a los que nos hemos estado refiriendo trabajan a temperaturas de -273ºC, los cuales solo se pueden alcanzar con helio líquido. Como el helio líquido es muy caro las investigaciones actuales van encaminadas a la obtención de superconductores que alcancen este estado a la temperatura del nitrógeno líquido, que es del orden de 80ºC superior a la del helio y, sobre todo, porque el nitrógeno líquido es mucho más barato que el helio líquido. Otro campo de investigación importante es el que se debe a un físico español llamado Pablo Jarillo, nacido en Valencia en 1976, que trabaja en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, que ha conseguido que dos láminas de grafeno se vuelvan superconductoras cuando se superponen entre sí rotadas un ángulo de 1,1 grados. Un descubrimiento extraordinario de los que marcan el rumbo de la ciencia.

Por su teoría denominada BCS sobre superconductividad, de la que forman parte los pares de Cooper, los investigadores Bardeen, Cooper y Schrieffer recibieron conjuntamente el premio Nobel de Física en 1972.

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