Superconductividad. Diamagnetismo perfecto.

Las leyes de la Física Cuántica gobiernan el comportamiento del mundo microscópico y reproducen el del mundo macroscópico, con cuyos fenómenos estamos más familiriazados, por lo que se ajustan a previsiones meramente intuitivas. Sin embargo, en determinadas condiciones ciertos materiales exhiben un comportamiento macroscópico chocante abordable sólo desde la teoría cuántica, de modo que ésta no se puede desestimar en el estudio de la naturaleza amparados en la atenuación de sus efectos en el mundo macroscópico.

La superconductividad es una de estas manifestaciones y se ha conseguido explicar de una forma elegante y satisfactoria a lo largo del siglo XX, proporcionando más de un Premio Nobel y convirtiéndose en un terreno de estudio rico per se y por sus aplicaciones. No expondremos las teorías.

En un artículo anterior se expuso la teoría que Drude, a principios del siglo pasado, desarrolló para explicar la resistencia de los materiales al paso de corriente eléctrica. Insistimos en que sus hipótesis son incorrectas y en que la resistencia se entiende mediante teorías más sofisticadas que quizá comentemos en otro artículo, pues no nos interesan demasiado para señalar la propiedad más llamativa de los superconductores.

La resistencia, según Drude, se debe a la colisión de los electrones en movimiento con los iones fijos de la red que constituyen el material: un proceso repetitivo de ganancia y disipación de energía que resulta inherente a la materia*. A muy bajas temperaturas, algunos materiales muestran una resistencia nula al paso de corriente. Los electrones fluyen sin oposición alguna**. Es el estado superconductor.

La propiedad más conocida de la superconductividad es el diamagnetismo perfecto, esto es, su impermeabilidad a los campos magnéticos. El diamagnetismo es una de las respuestas de la materia al campo magnético. Un material diamagnético se imana oponiéndose al campo magnético externo: si acercamos un imán a un objeto diamagnético, sea por el polo que sea, lo repelerá. No por ello el campo magnético desaparece dentro del material, aunque se puede detectar un decremento de su valor debido a la imanación del material, que contrarresta el efecto del campo magnético***.

Los superconductores muestran un caso extremo de diamagnetismo, un diamagnetismo perfecto tal que contrarresta por completo el campo magnético aplicado, es decir, lo anula. Cuando un material alcanza el estado superconductor se vuelve diamagnético perfecto y si se hallaba en presencia de un campo magnético externo al comienzo del cambio de estado, éste es expulsado del material, que se vuelve inpermeable a los campos magnéticos.

A este fenómeno se le conoce con el nombre de efecto Meissner y es el origen de la levitación magnética. Si se toma un superconductor como base y se posa sobre él un imán cualquiera, la impenetrabilidad a los campos magnéticos del sc obliga al imán a desplazarse hacia una situación de equilibrio energético entre la gravedad y el campo magnético. De una manera gráfica se diría que el imán es levantado por el superconductor porque sus líneas de campo no tienen cabida en su volumen. El siguiente vídeo ilustra una interesante aplicación del efecto Meissner en... transportes:

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*en realidad, se puede demostrar que los electrones libres se desplazan SIN INTERACCIONAR con los iones de la red, como si a este efecto no existieran. La resistencia a temperaturas ordinarias no se debe, como defendía Drude, a las colisiones electrón-ión, sino a la interacción electrón-fonón, definiéndose el fonón como el cuanto de vibración de los iones de la red; en otras palabras, se debe a la interacción de los electrones con las vibraciones térmicas de los iones que conforman la red.

**a muy bajas temperaturas -hablamos del orden de -260º, -270 º- las únicas interacciones responsables de resistencia son las interacciones electrón-impurezas del material.

***básicamente, aunque quedaría mucho por matizar.