Lista de superconductores y su funcionamiento

Introducción

La superconductividad es un fenómeno fascinante de la física en el que ciertos materiales, cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica, presentan una resistencia eléctrica nula y la expulsión de campos magnéticos. Esto los hace esenciales en diversas aplicaciones, como la obtención de imágenes médicas, el almacenamiento de energía y el transporte. Analicemos cómo funcionan los superconductores a partir de diez ejemplos de materiales superconductores.

Cómo funcionan los superconductores

La superconductividad se produce cuando los electrones de un material se emparejan para formar lo que se conoce como pares de Cooper. Estos pares se mueven a través del material sin dispersarse, que es lo que causa la resistencia eléctrica. En los conductores normales, como el cobre o el aluminio, los electrones experimentan resistencia al chocar con los átomos, lo que provoca una pérdida de energía. Sin embargo, en los superconductores, una vez que el material se enfría por debajo de una temperatura crítica, se produce este fenómeno de flujo de corriente sin resistencia, lo que permite que la energía se mueva sin pérdidas.

A nivel cuántico, la superconductividad se explica mediante la teoría BCS (Bardeen, Cooper y Schrieffer). Esta teoría describe cómo la interacción entre electrones y vibraciones en la red cristalina conduce a la formación de pares de Cooper. Estos pares se mueven colectivamente, sin dispersarse, haciendo que el material sea capaz de conducir la electricidad sin ninguna disipación de energía.

Propiedades de los superconductores

Los superconductores tienen una serie de propiedades únicas que los diferencian de otros materiales:

Figura 1 Temperatura crítica de los superconductores[1]

• Resistencia eléctrica cero: La propiedad más significativa de los superconductores es que permiten que la electricidad fluya sin ninguna resistencia, lo que elimina la pérdida de energía durante la transmisión.
• Efecto Meissner: Los superconductores presentan el efecto Meissner, por el que expulsan campos magnéticos de su interior cuando pasan al estado superconductor. Este fenómeno permite aplicaciones como la levitación magnética.
• Temperatura crítica (Tc): Cada superconductor tiene una temperatura crítica específica por debajo de la cual presenta superconductividad. Esta temperatura varía en función del material. Por ejemplo, algunos superconductores de alta temperatura tienen temperaturas críticas superiores al punto de ebullición del nitrógeno líquido (-196 °C).
• Levitación cuántica: Los superconductores pueden levitar sobre imanes gracias a la interacción entre la expulsión de campos magnéticos del superconductor y el campo generado por el imán. Este principio se utiliza en tecnologías como los trenes maglev.
• Alta capacidad de transporte de corriente: Los superconductores pueden transportar corrientes eléctricas mucho mayores que los conductores convencionales, lo que los hace ideales para su uso en aplicaciones de alta energía como los aceleradores de partículas.

10 ejemplos de superconductores

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1. Niobio (Nb ) El niobio es uno de los superconductores más utilizados debido a su temperatura crítica relativamente alta de 9,25 K y a su facilidad de uso en aplicaciones prácticas como máquinas de resonancia magnética y aceleradores de partículas.
2. Óxido de itrio, bario y cobre (YBCO ) El YBCO es un superconductor de alta temperatura con una temperatura crítica de unos 93 K, lo que lo hace ideal para aplicaciones en la industria energética, como cables de alimentación y apantallamientos magnéticos.
3. Diboruro de magnesio (MgB2 ) El diboruro de magnesio, con una temperatura crítica de 39 K, es un superconductor relativamente barato. Tiene aplicaciones en electrónica, almacenamiento de energía y tecnología de resonancia magnética.
4. Plomo (Pb ) El plomo fue uno de los primeros materiales en presentar superconductividad. Su temperatura crítica es de 7,2 K, y se utiliza en diversos experimentos científicos y aplicaciones que requieren bajas temperaturas.
5. Óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre (BSCCO ) El BSCCO es otro superconductor de alta temperatura, con una temperatura crítica de unos 108 K. Se utiliza en cables de alimentación, imanes y otros dispositivos eléctricos.
6. Superconductores basados en hierro Los superconductores basados en hierro, una clase relativamente nueva descubierta en 2008, son conocidos por sus altas temperaturas críticas y su potencial en aplicaciones electrónicas y energéticas.
7. Tungsteno (W) El tungsteno es un material de alta densidad que presenta superconductividad a temperaturas muy bajas, lo que lo hace útil en determinadas aplicaciones especializadas, como los imanes de alto campo.
8. VanadioGalio (V3Ga ) El vanadio galio es un superconductor con una temperatura crítica relativamente alta de 13,8 K. Se utiliza en aplicaciones que requieren tanto superconductividad como campos magnéticos elevados.
9. Óxido de cobre(CuO ) El óxido de cobre es un ejemplo de superconductor de alta temperatura que funciona a más de 77 K, la temperatura del nitrógeno líquido. Se utiliza en dispositivos eléctricos y electrónicos avanzados.
10. Óxidode lantano, estroncio y cobre (LSCO) El LSCO forma parte de la clase de superconductores de alta temperatura, con aplicaciones en investigación y electrónica, incluidos los dispositivos que requieren una baja pérdida de energía.

Lista de superconductores

Aquí tiene una tabla resumen con ejemplos más comunes de superconductores. Para más información y ejemplos, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

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Conclusión

Con una resistencia eléctrica nula y propiedades magnéticas únicas, los superconductores están revolucionando campos que van desde la imagen médica al transporte. A medida que avancen las investigaciones, es probable que se descubran nuevos materiales con temperaturas críticas más elevadas, lo que abrirá aún más aplicaciones.

Referencias:

[1] Lebrun, Philippe & Tavian, Laurent & Vandoni, Giovanna & Wagner, U. (2002). Criogenia para aceleradores y detectores de partículas.

[2] Yao, Chao & Ma, Yanwei. (2021). Superconducting materials: Challenges and opportunities for large-scale applications. iScience. 24. 102541. 10.1016/j.isci.2021.102541.

[3] Lista de superconductores. (2024, 16 de agosto). En Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_superconductors