XXVIII. LA SUPERCONDUCTIVIDAD

DESDE los tiempos de Romé de l'Isle hasta la era actual, que bien podría llamarse la de la microelectrónica, han transcurrido tan sólo dos siglos. Creemos ahora entender qué es un sólido y cómo modificar muchas de sus propiedades. En particular, hemos visto que es posible controlar la conductividad de muchos materiales y la consecuencia tecnológica tan impresionante que ello ha tenido. En nuestra discusión, el papel central lo han desempeñado los electrones, sin que aparentemente intervengan, salvo en forma incidental, los iones. Aunque de la estructura cristalina y del tipo de átomo surgen las características de las bandas, nunca hemos aquí considerado que los iones puedan también moverse.

Sin embargo, es claro que los iones también se mueven, aunque lo hacen con menor celeridad que los electrones, ya que son miles de veces más pesados. Por otro lado, mientras el sólido permanezca como tal, los iones no podrán deambular por el cristal. Nuestra idea misma de un sólido, a diferencia de un líquido o de un gas, implica que los iones se encuentren limitados a la vecindad de su posición de equilibrio. Los iones, pues, sólo podrán oscilar con respecto a esos puntos de equilibrio. Y cuando la amplitud de la oscilación sea muy grande, comparable a la distancia interatómica en la red, el cristal empezará a fundirse.

Pensemos entonces en un modelo para las vibraciones de la red: los átomos se acoplan a sus vecinos próximos con algún tipo de resorte. Este es un modelo razonable, ya que los iones sólo vibran. Entre todos los posibles movimientos de los iones existen unos, llamados modos normales, en que todas las partículas oscilan con la misma frecuencia. A los cuantos de energía de estos osciladores normales se les conoce técnicamente con el nombre de fonones. Los fonones se parecen mucho a unas partículas microscópicas reales: tienen una velocidad y energías bien definidas; son del tipo bosón. Por otro lado, no pueden existir sin la malla, es decir, fuera del cristal. (Recuérdese que tal vez éste sea el caso de las partículas más fundamentales, los quarks.) Además, comunicando al sólido más energía, los átomos pueden vibrar más, creándose más excitación, o sea más fonones. Por otro lado, enfriando el cristal se logra que haya menos fonones. Por lo tanto, estas excitaciones de la malla se pueden crear y destruir.

Los fonones son responsables de muchos fenómenos en los sólidos. En particular de la resistividad eléctrica, pues interfieren con los electrones. Como ya vimos, al bajar la temperatura los átomos se aquietan y desaparecen los fonones. Cuando bajamos mucho la temperatura, ya muy cerca del cero absoluto, puede darse que a través de los iones un electrón atraiga a otro, venciendo la repulsión eléctrica entre las cargas negativas. Con esto, los dos electrones corren juntos y forman una pareja que, por estar formada de dos fermiones, se comporta como un bosón, que puede moverse sin resistencia a través del cristal. ¡Estamos ahora frente a un superconductor!

Esta explicación de la superconductividad se dio apenas hace veinticinco años, aunque la observación de este fenómeno de bajas temperaturas data de principios de siglo. El estado superconductor es muy diferente al estado normal de los metales. Presenta una resistencia muy baja, no permite que un campo magnético penetre a su interior, en fin, representa toda una fase diferente. Dadas sus posibles aplicaciones: líneas de transmisión sin pérdida, electroimanes que pudieran generar campos magnéticos enormes, una gran cantidad de trabajo teórico y experimental se ha hecho en las últimas décadas para entender a los superconductores. Especial atención se ha puesto en buscar materiales que sean superconductores a la temperatura más alta posible, incluso a la temperatura ambiente. Aunque esto no se ha logrado todavía, si algún día ello fuera accesible, la superconductividad se convertiría sin duda en una de las principales tecnologías al alcance del hombre.