Fragmento de Superconductividad a altas temperaturas.
De John R. Kirtley y Chang C. Tsuei.
Pocas sesiones habrá habido más memorables en la historia de la física que la celebrada el 18 de marzo de 1987 durante una reunión de la Sociedad Norteamericana de Física. Se organizó de prisa y corriendo para dar cabida a las muchísimas comunicaciones que habían llegado fuera de plazo. Dos mil físicos acudieron al hotel Hilton de Nueva York. Apiñados en un salón de baile, desbordado hasta el vestíbulo, se las veían y deseaban para ofrecer y escuchar los cinco minutos de disertación sobre las últimas ideas e investigaciones.
La causa de tanta conmoción académica fue el anuncio de la superconductividad a altas temperaturas. A finales de 1986 J. Georg Bednorz y K. Alexander Müller, del Laboratorio de Investigaciones de IBM en Zurich, comunicaron que una cerámica, el óxido de lantano, bario y cobre, perdía toda resistencia eléctrica enfriada sólo a -238 grados centígrados, o 35 kelvins (grados sobre el cero absoluto). Aunque es una temperatura muy baja, estaba diez grados por encima de la mejor a la que se hubiese conseguido hasta entonces la superconductividad, siempre con metales o aleaciones. Enseguida se anunciaron y confirmaron temperaturas críticas de más de 90 kelvins, y abundaron los rumores de superconductividades a 130 y 240 kelvins. Si algún día se hallase un material que supercondujese a la temperatura ambiente (unos 300 kelvins), la sociedad entraría en una nueva era.
En la reunión de marzo se presentaron artículos sobre la teoría y la medición de los nuevos superconductores. El frenesí de la sesión no se debió sólo al sueño de la superconductividad a temperatura ambiente sino también, en parte, al miedo. A algunos les preocupaba que se conociesen bien estos materiales de óxido de cobre, a menudo llamados cupratos, antes de haber elaborado ellos la teoría correcta que les valiera el Nobel.
Nueve años después, tal nerviosismo se nos antoja injustificado. Miles de científicos de todo el mundo han dedicado millones de horas a la búsqueda, hasta hoy infructuosa, de por qué y cómo superconducen los cupratos a temperaturas tan altas. Pese a todo, se ha progresado bastante. Experimentos recientes han mostrado que los cupratos difieren de los superconductores al uso y, además, han delimitado las lindes entre teorías competidoras. De sus resultados se desprende un mecanismo radical: las fluctuaciones magnéticas de los átomos que constituyen el medio.
Que el secreto se esconda en el magnetismo contrasta de plano con las ideas, bien asentadas, acerca de la superconducción a bajas temperaturas. A tenor de la descripción más extendida, la superconductividad se produce cuando los electrones se combinan y forman pares de Cooper (en honor de Leon N. Cooper, padre del concepto). A diferencia de lo que ocurre con los electrones sueltos, los pares de Cooper no chocan entre sí, ni se dispersan por las imperfecciones del medio conductor; no hay, por tanto, resistencia que se oponga a su avance. La corriente eléctrica fluye en los superconductores sin voltaje; si lo hace por un camino cerrado, seguirá haciéndolo para siempre mientras la sustancia permanezca enfriada por debajo de su temperatura crítica.
Resulta llamativo que los electrones de los metales puedan emparejarse: todos tienen carga negativa y, por ende, tienden a repelerse. En los años cincuenta, Cooper, John Bardeen y J. Robert Schrieffer encontraron una explicación. La teoría BCS, denominada así por las iniciales de sus creadores, afirma que los electrones de los superconductores clásicos superan de dos formas su repulsión mutua. En la primera se bloquea parte de la carga negativa. Este efecto de “apantallamiento”, causado por los movimientos de los otros electrones, reduce la fuerza de repulsión entre los del par de Cooper.
En la segunda, la más importante, es un mediador el que junta a los electrones que mutuamente se repelen. Esta función casamentera la desempeñan los iones positivos que forman el metal. (Los átomos neutros se vuelven iones positivos al donar electrones para la conducción.) Un electrón que se mueva desplazará un poco las posiciones de los iones a su paso por la vecindad de los mismos. Estas distorsiones, o fonones, crean pequeñas zonas positivas que atraen a otros electrones. Se compara ese comportamiento con el de las bolas de una bolera sobre una cama elástica. Una distorsiona los muelles del colchón y la distorsión atrae a otra.
Pero la analogía se acaba ahí, pues los electrones se repelen mutuamente con fuerza. Bardeen encontró una metáfora más ajustada: el barullo de los jugadores en una cancha de fútbol americano. Los pares de Cooper son las parejas que, en la melé, intentan desesperadamente seguir juntas. Una vez iniciado el apelotonamiento, se hace muy difícil detenerlo, porque, para parar a un sujeto, hay que parar a muchos. Los apelotonados se desplazarán alrededor de los obstáculos, los postes por ejemplo, sin apenas modificaciones.
Al decir de los físicos, los electrones se mantienen emparejados porque intercambian fonones, lo mismo que los jugadores de rugby se emparejan pasándose la pelota para que no los derriben mientras corren campo adelante. Incorporado en la teoría BCS, el mecanismo fonónico de emparejamiento explica cabalmente la superconductividad de los materiales comunes.
Pero el modelo BCS no puede explicar por sí solo la superconductividad de los óxidos de cobre. Los electrones y los fonones de unos superconductores BCS que tuviesen una temperatura crítica alta interaccionarían entre sí con violencia. En ese caso, la estructura de los materiales acabaría por distorsionarse de tal forma que dejarían de ser superconductores y, en muchísimas ocasiones, incluso conductores.