Existen materiales que se vuelven superconductores al bajar la temperatura. Algunos tienen una composición muy sencilla, son elementos químicos como el plomo o el aluminio; otros involucran varios elementos y hay que prepararlos en el laboratorio. Si nos fijamos como responde un superconductor a un campo magnético podemos clasificar los materiales en superconductores de tipo-I y superconductores de tipo-II .
Debido a la repulsión de Coulomb los electrones generalmente se repelen. Para que se formen los pares de Cooper es necesario que, de forma efectiva, los electrones se atraigan. Aunque en todos los superconductores se forman pares de Cooper la razón por la que se forman estos pares no parece ser la misma en todos ellos. Una clasificación diferente de los superconductores se fija en el origen de la superconductividad y clasifica a los superconductores en superconductores convencionales y superconductores no-convencionales.
Hay materiales que poniéndolos en contacto con otros superconductores se logra desencadenar un nuevo tipo de superconductividad como por ejemplo con el grafeno. La búsqueda de una corriente más eficiente, viajando sin perder energía, es la base para el desarrollo de la electrónica. El grafeno, es una sustancia compuesta de carbono puro con átomos dispuestos en un patrón regular hexagonal. Una simple hoja de uno de sus átomos es hasta 200 veces más resistente que el acero actual, más duro que el diamante y su densidad es la misma que la de la fibra de carbono (aproximadamente 5 veces más ligero que el aluminio), es extremadamente flexible y probado que es inducido a la superconductividad en contacto con otros superconductores.
Los conductores normales como la plata y el cobre son buenos para transportar una corriente eléctrica, pero los electrones que viajan a través de ellos todavía rebotan defectos en el material, perdiendo energía a medida que avanzan.
Según la teoría BCS de 1957 la interacción de los electrones con las vibraciones de la red de iones resulta de forma efectiva en una interacción atractiva entre los electrones gracias a la cual se forman los pares de Cooper y la superconductividad. En algunos materiales como el plomo o el aluminio esta teoría explica bien los resultados experimentales. Sin embargo, existen materiales, entre los que se incluyen los superconductores de alta temperatura, en los que las interacciones de red, al menos por sí solas, no parecen ser las responsables de la superconductividad en estos sistemas.
Hablamos de superconductores convencionales si la formación de los pares de Cooper está mediada por las vibraciones de la red de átomos (fonones) y de superconductores no-convencionales cuando el origen es otro.
Aunque la superconductividad se descubrió hace más de un siglo, actualmente se siguen descubriendo nuevos superconductores. Cuando se descubre un nuevo superconductor hay un gran interés en saber si es convencional o no-convencional.
Retos
La temperatura crítica de los superconductores juega un papel importante en el desarrollo de las aplicaciones debido al coste y la dificultad de enfriar a temperaturas tan bajas. Por ello la búsqueda de un superconductor a temperatura ambiente sigue siendo uno de los mayores retos en lo que se refiere a la síntesis de nuevos materiales.
Dentro del ámbito de las bajas temperaturas, la temperatura a la que el nitrógeno se vuelve líquido (-196ºC) marca un punto de inflexión, ya que enfriar mediante nitrógeno no es caro y es viable. Tan sólo los óxidos de cobre superconducen por encima de esta temperatura. Sin embargo, estos materiales son cerámicos y por lo tanto frágiles y difíciles de manejar (en contraste con el cobre). Esta dificultad ha retrasado su uso en aplicaciones industriales.
Junto a la temperatura crítica, las otras propiedades importantes son la corriente crítica y el campo crítico. Gran parte de las aplicaciones actuales de los superconductores involucran campos magnéticos. Por ello es fundamental que los materiales tengan buenas propiedades en presencia de dichos campos. Los superconductores de alta temperatura son de tipo II y suelen tener campos críticos altos, de varias decenas de Teslas.
Sin embargo la corriente crítica puede verse notablemente limitada. Aunque en el laboratorio en condiciones muy cuidadas se puedan conseguir corrientes críticas altas, al crecer los materiales a gran escala las propiedades empeoran. Las fronteras entre los granos afectan al valor de la corriente crítica que disminuye cuando el superconductor se hace más grande.
En presencia de campo magnético la situación se agrava. El campo magnético penetra en forma de vórtices. Al aplicar una corriente los vórtices tienden a moverse. Si los vórtices se mueven producen resistencia al paso de la corriente eléctrica, eliminando las ventajas de la superconductividad. Para que los vórtices no se muevan es necesario engancharlos a defectos.
Gran parte de las investigaciones en el área del desarrollo de materiales para aplicaciones se ha centrado en mejorar las propiedades de los materiales generados a escala industrial. También en entender cómo afectan las fronteras entre granos y otros defectos a la corriente crítica. Los avances realizados recientemente en este ámbito hacen prever un uso de los superconductores mucho más amplio en pocos años.
En cualquier caso, si bien los superconductores de mayor temperatura crítica abren una vía muy interesante para las aplicaciones, los de baja temperatura tienen un rendimiento muy bueno en muchas de ellas.
Nuevos Superconductores
La superconductividad se descubrió en 1911, pero aún se siguen descubriendo nuevos superconductores. La búsqueda de nuevos materiales superconductores es un campo muy activo de investigación que día a día nos sorprende con nuevos materiales.
Uno de los descubrimientos más interesantes mostró la aparición de superconductividad en la interfaz entre dos óxidos, el óxido de lantano y el óxido de titanio.
Entre los superconductores descubiertos más recientemente encontramos los sulfuros de bismuto. Una vez más encontramos superconductividad en compuestos formados por capas, en este caso con bismuto y azufre. En julio de 2012 se demostró la existencia de superconductividad en estos materiales a bajas temperaturas, aproximadamente -265ºC. Ya se han descubierto varios compuestos superconductores que tienen estas capas de bismuto y azufre en común. Entre las propiedades interesantes destacan lo resistente que es la superconductividad a la presencia de momentos magnéticos. En la mayoría de los casos si la superconductividad es debida a vibraciones de la red de átomos los momentos magnéticos la destruyen. Podríamos encontrarnos ante un nuevo tipo de superconductor no convencional. Las primeras teorías sin embargo apuntan a que el origen de la superconductividad se encuentra en la interacción entre los electrones y la red de átomos.
También en 2012 se ha descubierto superconductividad a temperaturas no demasiado bajas (-252º) en compuestos que contienen capas de titanio que presentan otras fases además de la superconductividad, lo que nos recuerda a los superconductores no convencionales.
En octubre de 2012, se ha descubierto superconductividad en compuestos de selenio o teluro e iridio y en compuestos de platino y lantano.
El disulfuro de Molibdeno es un compuesto que ha atraído mucha atención recientemente ya que se cree que puede jugar un papel muy relevante en la electrónica del futuro, sustituyendo o complementando al silicio. En diciembre de 2012 se descubrió que cuando se añadían portadores a este material mediante un campo eléctrico muy fuerte se volvía superconductor.
