teoría BCS

Un metal de cinco átomos distintos es como una sopa en la que flotan trozos de zanahoria, guisantes, patata, cebolla y carne. Cada trocito es un elemento: cromo, vanadio, titanio, niobio y tántalo. Esta aleación se llama de alta entropía: no tiene un orden único, los átomos están mezclados casi al azar.

En un pasillo estrecho, la gente no camina en masa, sino en filas. El número de filas depende del ancho del paso. En el grafeno, el papel de ese pasillo lo desempeña un contacto puntual cuántico: una constricción donde los electrones se mueven balísticamente, sin dispersarse.

Un cable normal se calienta cuando circula corriente: parte de la energía se pierde. El superconductor no tiene ese defecto: la electricidad fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. El problema es que la mayoría de los superconductores requieren temperaturas muy bajas o presiones colosales, como las del interior de los planetas.

Un diminuto sándwich de óxidos, cultivado capa a capa, se vuelve perfectamente conductor a unos 200 grados bajo cero. No es un truco, sino un nuevo capítulo en la búsqueda de superconductores de alta temperatura.

Muchos materiales se comportan como un hielo caprichoso: a una presión se derriten y a otra se vuelven más duros. Los superconductores de la familia de los cupratos no son una excepción. Su capacidad para conducir corriente sin pérdidas depende de cuán comprimida esté la red cristalina.

En las capas delgadas del cristal de seleniuro de tantalio (TaSe₂) se esconde una propiedad que desafía a la física convencional. Cuando se añadieron átomos invitados entre las capas de este material, la estructura perdió su centro de simetría — y en su interior surgió una superconductividad blindada.

La corriente sin pérdidas es el sueño de la energía. Algunos materiales se vuelven superconductores, pero normalmente solo a un frío extremo. Recientemente, en la familia de los niquelatos, compuestos a base de níquel, se han encontrado candidatos que funcionan a temperaturas más altas.

Una fina película de un cristal especial, como el disulfuro de molibdeno, reposa sobre la platina del microscopio. La temperatura es ligeramente superior a aquella en la que el material se vuelve superconductor.

La superfluidez — ese estado en el que la materia fluye sin fricción — ha permanecido elusiva durante mucho tiempo en los condensados de Bose neutros de excitones.

La superconductividad a menudo se representa como una danza congelada de electrones: se unen en pares y se mueven sin resistencia, como patinadores sobre hielo perfecto. Pero en los superconductores de alta temperatura, ese hielo resulta no ser tan liso.

Desde hace casi cuarenta años, la superconductividad de alta temperatura en los cupratos sigue siendo uno de los enigmas más profundos de la física de la materia condensada.

El grafeno — un cristal bidimensional de carbono — ha tentado a los físicos durante mucho tiempo con la esperanza de una superconductividad a alta temperatura.

En el cristal CsV3Sb5-xSnx, que a bajas temperaturas se vuelve superconductor, la corriente no fluye como un flujo continuo, sino por estrechos caminos sinuosos.

Una película delgada de óxido de itrio, bario y cobre se calienta bajo un flujo de rayos infrarrojos y, de repente, deja de disipar energía. Esto es la superconductividad: los electrones se unen en pares y se mueven como un enjambre cuántico único.

Una olla de agua siempre hierve igual: a cien grados, y salen burbujas. Con los líquidos cuánticos es distinto. Cuando una nube de átomos se enfría casi hasta el cero absoluto, puede convertirse en una única onda de materia: el condensado de Bose-Einstein.

Los superconductores conducen corriente sin pérdidas, pero normalmente requieren un frío extremo. El Hg1223 —una mezcla de mercurio, bario, calcio, cobre y oxígeno— rompe la regla: deja de oponer resistencia a la corriente a –139 °C. El secreto es que la intensa repulsión eléctrica obliga a los electrones a emparejarse.

Una sartén larga y estrecha hace que un panqueque fino se congele en franjas irregulares. Durante décadas, los científicos vieron un panorama similar al modelar el comportamiento de los electrones en superconductores, materiales que conducen corriente sin pérdidas.

Una multitud de personas que pueden moverse libremente, pero que de repente empiezan a actuar como una sola unidad: así conduce un superconductor la corriente sin resistencia.

Un puñado de cerillas cae sobre la mesa. Cada una queda como sea, pero mentalmente la convertimos en una flecha, de un extremo al otro. Ahora preguntémonos: ¿se puede ir de un punto a otro moviéndose solo en la dirección de las flechas? Un grupo de puntos donde desde cualquiera se puede llegar a cualquier otro se llama clúster fuertemente conectado.

La pista de baile está llena de parejas que giran en un vals. Normalmente, los compañeros se mueven en direcciones opuestas: uno da un paso hacia adelante, el otro hacia atrás, para mantener el ritmo común.

Una piedra cae en un estanque y por el agua se extienden ondas concéntricas. En física, una ley de conservación similar opera para la energía y el momento: lo que había, permanece. Pero en el espacio-tiempo curvo, donde la gravedad manda, definir cantidades conservadas es más complicado.

En los metales que conocemos, como el cobre, los electrones se mueven casi independientemente, como coches en una autopista despejada. La resistencia surge de colisiones raras y puede describirse con fórmulas sencillas.

En un superconductor, los electrones se agrupan en pares, como bailarines que se toman de las manos. Normalmente, la distancia entre ellos —el tamaño del par— depende de la rapidez con la que se mueven y de la fuerza de su unión. Pero a veces la pista de baile casi desaparece y no hay lugar para moverse.

El campo magnético no penetra en un superconductor como un flujo continuo, sino en forma de finos hilos: los vórtices. Normalmente se repelen y se ordenan en una red triangular regular, como flotadores en el agua. Pero en CaSb₂ todo ocurrió de otra manera: los vórtices se agruparon en montones apretados, dejando entre ellos espacios casi vacíos.

En el mundo de los superconductores, a los electrones no les gusta la soledad. Normalmente se unen en pares, los pares de Cooper, y se mueven sin resistencia, como patinadores que se toman de las manos. Pero se les puede hacer bailar de a cuatro.

Un cristal de cobre se comprime en un yunque de diamante. La presión aumenta y en el interior del material se desarrolla una lucha entre dos estados: uno prepara a los electrones para la superconductividad, el otro, por el contrario, les impide unirse. Los científicos siguieron esta lucha con destellos láser ultracortos.

La superconductividad es cuando la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Normalmente aparece a temperaturas muy bajas, pero hay materiales donde surge a temperaturas más altas.

En una olla con agua hirviendo, las burbujas de vapor nacen y revientan, pero el agua sigue siendo líquida. Algo similar ocurre en un gas atómico ultrafrío: los átomos forman pares constantemente y vuelven a separarse, aunque la superfluidez aún no ha llegado.

En una red cristalina que recuerda a una cesta tejida, los electrones a veces forman pares y fluyen sin resistencia. Este material, un superconductor basado en la red de kagome, se comporta como una orquesta caprichosa: basta con añadir un poco de titanio para que la batuta pase de un orden a otro.

La corriente eléctrica en un superconductor es como una multitud que corre por un pasillo sin fricción. Pero en los superconductores de tipo II hay obstáculos: diminutos vórtices de campo magnético que la corriente desplaza. Cuando un vórtice se mueve, aparece resistencia y la corriente disminuye.

En una cadena de trampas, como en una hilera de fortalezas costeras, se posan los átomos. A su lado, un mar cuántico: el condensado de Bose-Einstein (una sustancia sin resistencia, donde las partículas se mueven como una sola onda).

La superconductividad es la capacidad de un material para conducir electricidad sin pérdidas. Los cables normales se calientan y parte de la energía se convierte en calor, mientras que un superconductor deja pasar la corriente sin resistencia.

Un cristal de uranio del tamaño de un grano de arroz se enfrió hasta una quincuagésima parte de un grado por encima del cero absoluto. A esa temperatura, el calor no se transporta de forma caótica, sino siguiendo estrictamente las reglas del mundo cuántico.

Ciertos materiales, cerca del cero absoluto, superconducen: la electricidad fluye sin pérdidas. La temperatura crítica marca el inicio. John Bardeen y sus colegas explicaron que las vibraciones atómicas unen a los electrones en pares de Cooper.

Desde hace tiempo se sospechaba que el efecto Hall cuántico era superfluyente, capaz de fluir sin fricción. Imagina a un cocinero que sigue una receta: por cada unidad de flujo magnético debe colocar exactamente un número determinado de electrones.

Un conductor ordinario deja pasar la corriente igual en ambas direcciones, como una puerta que se abre hacia dentro y hacia fuera. Un diodo, en cambio, es una puerta con cierre hidráulico: en un sentido se abre con facilidad, pero en el otro opone resistencia.

Una aleación metálica se parece a un cóctel: mezclas varios elementos y obtienes un material con nuevas propiedades. Pero si el camarero prueba la bebida, los ingenieros necesitan saber de antemano cómo se comportará la aleación en el trabajo. Por ejemplo, si resistirá altas temperaturas y no perderá su capacidad de conducir corriente.

Un superconductor ordinario se parece a una fila de soldados marchando en parejas: los electrones se unen y sus espines (peonzas internas) apuntan en direcciones opuestas. El campo magnético voltea fácilmente esos pares, destruyendo la superconductividad. En UTe₂ todo es distinto.

Un haz de rayos X incide sobre un trozo de superconductor y este se calienta de forma casi imperceptible. Ese aumento de temperatura, de milmillonésimas de grado, es la única huella que deja la luz. El nuevo detector lo capta, como un termómetro muy sensible pegado a un metal frío.

En la red cristalina del seleniuro de hierro, los átomos de hierro y selenio se alternan como ladrillos en un muro. Pero a veces, en los huecos entre ellos se cuelan átomos de hierro extra, como invitados no deseados que se meten en las grietas entre los ladrillos.