Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

La rana que levitó

Andréy Konstantínovich Gueim es un físico ruso-neerlandés, residente en Manchester, Inglaterra, de raíces judías alemanas y con un tatarabuelo australiano. Desarrolló la popular cinta adhesiva Gekco y ha sido el primer científico en el mundo receptor de dos premios Nobel de Física, en los años 2000 y 2010. Apodado “el hombre-rana” por el primero de ellos, un Nobel Ig o Nobel alternativo que se suele conceder a científicos que han realizado y publicado un experimento aparentemente extravagante y sin sentido: concretamente hizo levitar a una rana dentro de una bola de agua colocada en un superconductor sobre un campo magnético. El verdadero Nobel de Física, el del año 2010 le fue otorgado por su trascendental descubrimiento del grafeno, una sustancia que ha abierto un fascinante nuevo mundo de posibilidades en el campo de nuevos materiales y sus aplicaciones.

La rana que levitó
Ilustración :: ÁLEX

HISTORIA

¿Realmente el de la rana levitando era un experimento extravagante y sin sentido? En palabras de Gueim simplemente era un modo de llamar la atención de los estudiantes, de un modo ameno, sobre un fenómeno muy desconocido como es el de la superconductividad y de los superconductores. Hoy nos ocupamos de este tema aprovechando la publicación de un reciente artículo en la revista Nature Physics, por parte de científicos de la Universidad de Illinois, describiendo un nuevo e interesante grupo de superconductores.

Hace más de siglo y medio, en 1845, muchos científicos estaban interesados en conseguir licuar los gases, ya que la licuefacción de los gases permitiría estudiar los fenómenos que se presentan en los materiales a temperaturas muy bajas. Fue el gran Michael Faraday, en Londres, quien consiguió ese año licuar algunos gases que, de forma accidental, había descubierto una veintena de años antes. En los inicios del siglo XX se habían licuado ya varios gases pero persistía el interés y, también incidentalmente, por serendipia, ocurrió el descubrimiento del fenómeno de la superconductividad, uno de los acontecimientos más destacados en la ciencia moderna.

Era sabido que la inmensa mayoría de los gases sólo se licúan a temperaturas muy por debajo de cero grados centígrados cuando, en 1908, Heike Kamerlingh Onnes  (Nobel de Física, en 1913) pudo obtener helio líquido por primera vez en el mundo. El helio posee una temperatura de ebullición de 4.22 ºK (Kelvin), equivalentes a -268,94 ºC, ya que el cero absoluto en la escala Kelvin equivale a -273.16°C. Ello permitía disponer de un baño térmico a baja temperatura para estudiar la materia en esas condiciones. Cuando Onnes analizó lo que sucedía con el mercurio encontró que al enfriarse a esa temperatura su resistividad caía bruscamente, desapareciendo. Era el descubrimiento de la superconductividad y de los superconductores.

SUPERCONDUCTIVIDAD

La conducción de la electricidad se ha comparado con el hecho de tener que atravesar un río desde una orilla a otra. En los materiales conductores (como un hilo de cobre) es como si existiese un amplio puente entre las orillas que los electrones pueden cruzar sin dificultad, en ambos sentidos. En los semiconductores, el puente existente se ensancha con el calor y se estrecha con el frío y los electrones solamente pueden cruzarlo en un sentido. Además, si un fotón incide sobre ellos podría proporcionarles la energía necesaria para saltar el río sin necesidad de puente. En cuanto al caso de los superconductores, no hay puente, ya que el cauce del rio está cubierto y los electrones pueden vagar libremente por donde quieran, con el único problema de que siempre tiene que hacer mucho frío.

Hasta 1957 no se comprendió el origen del fenómeno de la superconductividad. Lo hicieron Bardeen, Cooper y Schrieffer con su teoría BCS, que postulaba que en un superconductor los entes que transportaban la corriente eran parejas de electrones conocidos como pares de Cooper. Recibieron el Premio Nobel de Física de 1972. Ello significaba que, en determinadas condiciones, los superconductores pueden transportar electricidad sin pérdidas de energía, sin que se calienten.

Otra propiedad interesante de los superconductores es que enfriados por debajo de su temperatura crítica y colocados en presencia de un campo magnético, éste crea corrientes de apantallamiento capaces de generar un campo magnético opuesto al aplicado. Ello permite lograr la levitación del superconductor, cuya consecuencia más conocida fue la citada rana de Gueim, aunque esta propiedad se ha aplicado en Japón en los trenes Maglev en levitación que evitan el rozamiento con las vías y logran alcanzar velocidades de 550 km/h.

Actualmente se conocen muchos superconductores diferentes que se clasifican según diversas características: comportamiento físico, temperatura crítica, material, teoría que los explica, etcétera. Un gran hito tuvo lugar en 1986 cuando, en Suiza, Bednorz y Müller (Premios Nobel en 1987), descubrieron los superconductores cerámicos que han revolucionado el mundo de la superconductividad al trabajar a temperaturas por encima de la de ebullición del nitrógeno líquido (-169 ºC), lo que permite enfriarlos de un modo fácil y barato. No se renuncia a diseñar en el futuro superconductores que funcionen a temperatura ambiente.

Las posibles y reales aplicaciones de los superconductores se derivan de sus propiedades: conducir densidades de corriente 2000 veces superiores a las de un conductor de cobre, de forma ya económicamente competitiva en algunos casos; transporte levitado por electroimanes; obtención de grandes campos magnéticos como los ya utilizados en los equipos de resonancia magnética hospitalaria, de investigación y de aceleradores de partículas; generadores y motores superconductores; en dispositivos electrónicos como los llamados SQUIDS, con los que se detectan campos magnéticos inferiores a una mil millonésima parte del terrestre que permiten desde aplicaciones diversas geológicas a la realización de encefalogramas sin necesidad de rozar la cabeza del paciente.

NOVEDADES

En 1958 el Dr. Philip Anderson (premio Nobel en 1977) predijo que los sólidos mono y bidimensionales a temperatura de cero grados absolutos Kelvin no presentan transporte de electrones de rango amplio, al contrario de lo que sucede con un metal estándar a esa misma temperatura. Ello es aplicable a los superconductores denominados “desordenados”.

Los científicos de la Universidad de Illinois citados con anterioridad han creado unas agrupaciones bidimensionales de “islas de superconductores” físicamente separadas entre si y situadas sobre una delgada capa metálica, que  deberían comportarse según la predicción de Anderson.

Con esta estructura comprobaron que existía una relación entre la separación entre islas y la temperatura crítica para que el material alcanzase el estado de superconductividad, pero también observaron dos resultados sorprendentes. El primero, que ninguna de las teorías existentes podía explicar los resultados obtenidos al variar la distancia entre las islas. El segundo, que el debilitamiento de la superconductividad con el espaciamiento de las islas sugiere que si éste se hiciese mayor las agrupación de islas de superconductores no se portaría según la predicción de Andersen sino como un metal a cero grados. La consecuencia de ello es la de disponer de un sistema que permite controlar las propiedades de superconductividad bidimensional, lo que representa un avance en la investigación sobre superconductores.

Más en:
http://www.icma.unizar-csic.es/WebICMA/levitacionConSuperconductores.do