La corriente crítica de los superconductores y sus limitaciones en los de alta temperatura

Por Francisco R. Villatoro, el 7 julio, 2010. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science

En las aplicaciones prácticas, la característica más importante de un material superconductor es la máxima corriente eléctrica que puede soportar. Los superconductores convencionales (a baja temperatura) soportan corrientes muchos órdenes de magnitud mayores que los de alta temperatura crítica (a alta temperatura). Se sabía que la razón eran los «bordes granulados» que separan capas atómicas en el material, pero no había una explicación teórica convincente. «Peter Hirschfeld, un profesor de física de la Universidad de Florida y otros cinco investigadores, describen con precisión por primera vez cómo los elementos estructurales a nivel atómico de los superconductores cerámicos de alta temperatura actúan dificultando la corriente eléctrica. Su explicación de cómo los “bordes granulados” que separan las filas de átomos en los superconductores dificultan la corriente es la primera en adaptarse a un fenómeno que ha ayudado a mantener los superconductores lejos de su alardeado potencial y ha desconcertado a los físicos experimentales durante más de dos décadas.» Los superconductores de alta temperatura no permiten corrientes muy altas porque presentan defectos estructurales en forma de bordes «dentados» entre microcristales de orientación diferente. La corriente crítica decrece exponencialmente en función del ángulo de desorientación entre estos microcristales. El nuevo trabajo utiliza simulaciones por ordenador de dinámica molecular de un cuprato superconductor llamado YBCO (en concreto YBa2Cu3O7−δ). Comprender el mecanismo dominante en el límite crítico de la densidad de corriente permitirá diseñar estos materiales para maximizar su valor, como ya ocurrió en el pasado con los superconductores convencionales. Más información divulgativa [fuente del entrecomillado] en Nicolás Pérez, «Los físicos explican por qué los superconductores no producen supercorrientes,» Ciencia Kanija, 07 julio 2010 [original en inglés]. El artículo técnico es S. Graser, P. J. Hirschfeld, T. Kopp, R. Gutser, B. M. Andersen & J. Mannhart, “How grain boundaries limit supercurrents in high-temperature superconductors,” Nature Physics advance online publication, Published online: 27 June 2010 [gratis en “What limits supercurrents in high temperature superconductors? A microscopic model of cuprate grain boundaries,” ArXiv, 21 Dec 2009].

La característica más importante de un superconductor, desde el punto de vista de las aplicaciones prácticas, es la máxima densidad de corriente que el superconductor es capaz de transportar sin resistencia. La más importante tanto para las aplicaciones a gran escala, como líneas de transmisión eléctrica, electroimanes, transformadores y motores, como para aplicaciones electrónicas de pequeña escala, tales como dispositivos pasivos de microondas y dispositivos activos basados en el efecto Josephson. La superconductividad fue descubierta en 1911 por Onnes, quien descubrió la existencia de una corriente crítica máxima. Sin embargo, las corrientes críticas alcanzables hasta 1960 no lo permitían. Por ello las aplicaciones comerciales tuvieron que esperar al descubrimiento de los factores que controlan el valor de estas corrientes críticas (y al desarrollo de técnicas para la fabricación flexible de superconductores a precios económicos). El descubrimiento de los superconductores de alta temperatura presenta una decepción similar. Los cupratos son superconductores de alta temperatura con que no pueden alcanzar densidades de corriente de magnitud suficiente para la mayoría de las aplicaciones prácticas. 

La densidad de corriente crítica (Jc) depende del campo magnético crítico (Hc) y del diámetro del conductor (a) según la hipótesis de Silsbee como Jc=2Hc/a. El primer factor (Hc) es una propiedad intrínseca del superconductor y depende del material utilizado. El segundo facto (a) depende de las tecnologías de fabricación de hilos superconductores. Por ejemplo, en un superconductor convencional de niobio de gran uso comercial, como el Nb-Ti o el Nb3Sn, se pueden alcanzar valores de Jc = 10¹² A/m² (en la práctica son unas cien veces menores debido a defectos estructurales de fabricación). Los superconductores de alta temperatura, paradójicamente, a baja temperatura soportan corrientes críticas mayores que los convencionales, pero a alta temperatura solo pueden alcanzar valores de Jc = 108 A/m². Los pnicturos (superconductores basados en el hierro en lugar del cobre) alcanza valores críticos aún más bajos, del orden de Jc = 106 A/m². Los interesados en más información disfrutarán de D. Dew-Hughes, «The critical current of superconductors: an historical review,» Low Temperature Physics 27: 713-722, September 2001 [versión gratis].



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