reading

Primera edición (La Ciencia desde México), 1988
Segunda edición (La Ciencia para Todos), 1997
Tercera edición, 2003
Cuarta edición, 2012
Primera edición electrónica, 2013

La Ciencia para Todos es proyecto y propiedad del Fondo de Cultura Económica, al que pertenecen también sus derechos. Se publica con los auspicios de la Secretaría de Educación Pública y del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología.

D. R. © 1988, Fondo de Cultura Económica
Carretera Picacho-Ajusco, 227; 14738 México, D. F.
Empresa certificada ISO 9001:2008

www.fondodeculturaeconomica.com

Comentarios:
editorial@fondodeculturaeconomica.com
Tel. (55) 5227-4672

Se prohíbe la reproducción total o parcial de esta obra, sea cual fuere el medio. Todos los contenidos que se incluyen tales como características tipográficas y de diagramación, textos, gráficos, logotipos, iconos, imágenes, etc., son propiedad exclusiva del Fondo de Cultura Económica y están protegidos por las leyes mexicanas e internacionales del copyright o derecho de autor.

ISBN 978-607-16-1370-7

Hecho en México - Made in Mexico

La Ciencia para Todos

Desde el nacimiento de la colección de divulgación científica del Fondo de Cultura Económica en 1986, ésta ha mantenido un ritmo siempre ascendente que ha superado las aspiraciones de las personas e instituciones que la hicieron posible. Los científicos siempre han aportado material, con lo que han sumado a su trabajo la incursión en un campo nuevo: escribir de modo que los temas más complejos y casi inaccesibles puedan ser entendidos por los estudiantes y los lectores sin formación científica.

A los diez años de este fructífero trabajo se dio un paso adelante, que consistió en abrir la colección a los creadores de la ciencia que se piensa y crea en todos los ámbitos de la lengua española —y ahora también del portugués—, razón por la cual tomó el nombre de La Ciencia para Todos.

Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, a través de la mar océano, a la Península Ibérica, está en marcha un ejército integrado por un vasto número de investigadores, científicos y técnicos, que extienden sus actividades por todos los campos de la ciencia moderna, la cual se encuentra en plena revolución y continuamente va cambiando nuestra forma de pensar y observar cuanto nos rodea.

La internacionalización de La Ciencia para Todos no es sólo en extensión sino en profundidad. Es necesario pensar una ciencia en nuestros idiomas que, de acuerdo con nuestra tradición humanista, crezca sin olvidar al hombre, que es, en última instancia, su fin. Y, en consecuencia, su propósito principal es poner el pensamiento científico en manos de nuestros jóvenes, quienes, al llegar su turno, crearán una ciencia que, sin desdeñar a ninguna otra, lleve la impronta de nuestros pueblos.

ÍNDICE

AGRADECIMIENTOS

Quiero expresar mi agradecimiento al doctor José Reyes por su colaboración para obtener, en el microscopio electrónico, las imágenes de una cerámica superconductora para la portada de la primera edición. Al físico Lorenzo Juárez por su labor en el procesamiento digital de las imágenes del microscopio electrónico, que formaban parte de la portada de la primera edición. Al físico Javier Fuentes M. del IF-UNAM, por preparar la pastilla superconductora. Al señor Alfredo Sánchez por la realización de las fotografías de la portada y del interior del libro, tanto de la primera como de la segunda edición. Al cuerpo editorial del Fondo de Cultura Económica por su asistencia, siempre muy cálida y eficiente.

PRÓLOGO A LA SEGUNDA EDICIÓN

A una década del boom causado por el descubrimiento de los superconductores de altas temperaturas (y aquí convendría aclarar que estamos hablando de temperaturas tan gélidas como −100 °C, lo cual sin embargo eliminó el prejuicio de que la superconductividad sólo podría existir muy cerca del cero absoluto) hemos aprendido algunas lecciones importantes.

Una, que las teorías científicas tienen cada vez más corta duración, aun la famosísima y laureada de Bardeen, Cooper y Schrieffer no resultó aplicable a los nuevos superconductores. Otra, que, como la lechera, no debemos vender las aplicaciones tecnológicas de un nuevo descubrimiento científico hasta haberlo “ordeñado” exhaustivamente; el maravilloso mundo que nos prometía trenes flotantes sobre campos magnéticos producidos por superconductores no ha arribado… todavía. Una tercera lección es que no debemos nunca limitarnos a seguir los caminos lógicos e iluminados por la ortodoxia reinante para intentar nuevos descubrimientos. Recuerdo que a principios de los años ochenta asistí a un coloquio en Florida, EUA, que impartía Mathias (un profeta de la superconductividad en esa época). Le pregunté entonces acerca de experimentos en los que no usaban metales sino óxidos como superconductores. Mathias los descartó con una sonrisa. Esto me recordó una anécdota de un testigo presencial del regaño de Wolfgang Pauli a sus alumnos Uhlenbech y Goulsmidth cuando le anunciaron que iban a proponer el “absurdo” concepto de que el electrón tenía espín, o sea, un momento angular semientero. Eppure... el espín semientero de los componentes de la materia y los superconductores de alta temperatura se mueven. Y en el segundo caso estoy seguro de que se descubrirán nuevos superconductores y cambiarán la tecnología (y la economía) del próximo milenio. ¿Dónde aparecerán?; tal vez donde menos los esperamos. La única predicción segura en la ciencia es que sus avances continuarán siendo impredecibles.

Me hago estas consideraciones al leer la segunda edición del libro de Luis Fernando Magaña a casi un decenio de aparecida la primera. El libro, que fue el primero en español acerca de este tema, no ha perdido ninguna de sus cualidades y sigue siendo esencial para la bibliografía de difusión científica en nuestra lengua. Con la misma frescura, interés y amenidad que en la primera edición, Fernando Magaña combina dos cualidades: la del investigador original que contribuye al desarrollo de su disciplina y la del divulgador capaz de dialogar y atraer al público en general a un tema de alta complejidad técnica y científica. Lo consigue recurriendo a un estilo ameno y ligero, sin que esto signifique que se aleja del fondo real del tema. Si bien no es excepcional que un científico sea capaz de dialogar con personas ajenas a su disciplina y transmitir información útil en forma accesible, tampoco es del todo común. Esto requiere de dos cualidades que Fernando Magaña posee: la primera, conocer a fondo la materia, pues sólo puede presentar en forma correcta y sencilla un tema científico aquel que lo conoce en toda profundidad, y la segunda, el don de comunicar y presentar en forma atractiva los temas que desarrolla. Los superconductores, en su segunda edición, continuará ayudando y atrayendo a nuevas generaciones de jóvenes a este fascinante campo de estudio.

PRÓLOGO A LA PRIMERA EDICIÓN

A finales de 1986, en la reunión de la Sociedad de Investigación en Materiales en Boston, EUA, la comunidad científica internacional notó por primera vez un trabajo que fue publicado con anterioridad en una revista alemana pero que había pasado casi inadvertido. En él se mencionaba la existencia de un compuesto superconductor cuya temperatura crítica era cercana a los 40 K. Este trabajo, que le valió el Premio Nobel un año después a sus autores, K. A. Müller y J. C. Bednorz, del Laboratorio IBM de Zúrich, constituyó el inicio de una verdadera revolución científica.

Una buena cantidad de grupos de investigación ingresaron desde entonces a las filas de la superconductividad. Los resultados, hasta la fecha de escribir este prólogo, han sido realmente notables: se han obtenido ya superconductores a temperaturas críticas por arriba del nitrógeno líquido y las posibles perspectivas tecnológicas están a la vista y parecen ilimitadas. Desde el punto de vista científico, la superconductividad pasó de ser un tema de poco interés desde el punto de vista aplicado, a convertirse en un tema primordial.

El libro del doctor Fernando Magaña es la primera obra en idioma castellano que trata, en forma accesible al gran público, el fenómeno de la superconductividad. La mayoría de las personas interesadas en temas científicos, y aun los miembros de la comunidad científica, se habían interesado poco en el tema de la superconductividad hasta que las noticias y reportajes internacionales al respecto despertaron su curiosidad. La superconductividad, que se había constituido en un tema de especialistas, de momento se convirtió en materia de interés para el gran público. El libro del doctor Fernando Magaña viene a ocupar un lugar muy importante en la bibliografía científica de habla hispana al presentar la superconductividad de manera amena y atractiva al lector interesado, lego en la materia. Magaña es un investigador que ha trabajado ya por muchos años en el campo de la superconductividad. El número y la calidad de sus trabajos le da la autoridad suficiente y la soltura en el tema que se demuestra en varias partes del libro. Asimismo, la alta calidad científica del autor le permite presentar, en términos sencillos, conceptos que podrían ser complicados.

Sin duda el lector del presente libro encontrará un texto ameno, interesante, que le proporcionará gran cantidad de información sobre la superconductividad, desde su trayectoria histórica hasta su desarrollo actual. La superconductividad ha producido ya importantes cambios en la ciencia que aún no hemos podido valorar totalmente. Muchos de los hábitos de la comunidad científica se han transformado por la presencia de este nuevo fenómeno. Al momento no sabemos cuál va a ser la trayectoria futura, pero, por ejemplo, la superconductividad ha alterado la manera en que los científicos se comunican. De tal modo que la mayoría de los trabajos actuales se leen en forma de preimpreso en lugar del tradicional artículo publicado. Éste es un campo en el que los artículos son ya, de entrada, obsoletos. Al mismo tiempo, la superconductividad ha permitido que un experimento, que en 1987 le valió el Premio Nobel a sus autores, lo hayan podido realizar en sus laboratorios, en el mismo año, estudiantes de preparatoria. Éste es un caso sin precedente en la ciencia y seguramente nos coloca ante una nueva perspectiva: la posibilidad de que los estudiantes jóvenes se familiaricen, desde el principio de sus estudios, con experimentos e ideas científicas de frontera.

Por eso, el libro del doctor Fernando Magaña es un instrumento invaluable para todos aquellos que se interesan en el tema de la superconductividad y que desean informarse de las posibilidades de realizar investigaciones sobre dicho tema. Escrito de manera estupenda, este libro seguramente interesará a muchos futuros investigadores en el desarrollo de esta importantísima área de la ciencia.

PREFACIO

La superconductividad es uno de los descubrimientos más fascinantes de la ciencia del siglo XX. Pertenece a la familia de descubrimientos de la física capaces de cambiar la manera de vivir de la humanidad. Su gama de aplicaciones es amplísima, pero abarca esencialmente tres tipos: la generación de campos magnéticos intensos, la fabricación de cables de conducción de energía eléctrica y la electrónica. Dentro del primer tipo tenemos aplicaciones tan espectaculares como la fabricación de sistemas de transporte masivo “levitados”, esto es, trenes que flotan sobre sus rieles sin tener fricción con ellos, haciendo factible alcanzar las velocidades que desarrollan, comúnmente, los aeroplanos. Los prototipos ya están en operación. En el segundo tipo tendríamos la posibilidad de transmitir energía eléctrica desde los centros de producción, como presas o reactores nucleares, hasta los centros de consumo, y redes de distribución de energía eléctrica en las ciudades (que son ya una realidad) sin pérdidas de ningún tipo en el trayecto. Para el tercer tipo de aplicaciones podemos mencionar la posibilidad de fabricar supercomputadoras extremadamente veloces.

Estamos viendo ya en los primeros años del siglo XXI muchas más aplicaciones de los materiales superconductores que en todo el siglo XX. Esto se puede afirmar, en especial, a raíz del hallazgo, en 1986, de los materiales superconductores cerámicos que tienen temperaturas de transición al estado superconductor superiores a la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido (que es, aproximadamente, de 77 K o, lo que es lo mismo, −196 °C; se utiliza la medida kelvin para calcular la temperatura absoluta); lo que significa una gran simplificación en la construcción de los aparatos en los que se aplica el fenómeno de la superconductividad, al compararlas con las temperaturas de transición más altas conocidas anteriormente de 23 K. Tenemos ya ciudades electrificadas con cables superconductores cerámicos subterráneos refrigerados con nitrógeno líquido, cisternas de energía que almacenan de la manera más eficiente jamás diseñada por el hombre y robots levitados por el efecto Meissner trabajando en la fabricación de microchips sin levantar granos de polvo que dañan a estos dispositivos, entre otras aplicaciones ya comunes.

Pero, ¿qué es la superconductividad? Es un estado de la materia, como lo es el estado líquido o el estado sólido, en el cual no existe resistencia eléctrica. Esto significa que no hay disipación de energía al pasar corriente eléctrica por un material superconductor. Pero no es sólo eso, sino que, además, no permite que el campo de fuerza de un imán penetre en su interior (esto último se conoce como efecto Meissner). Esta combinación de efectos eléctricos y magnéticos recibe el nombre de estado superconductor.

Su descubrimiento se remonta a principios del siglo XX, en 1911, y está íntimamente ligado a la obtención de muy bajas temperaturas (cercanas al cero absoluto) en el laboratorio. Fue el doctor H. K. Onnes (quien nació en 1856 y murió en 1926), de la Universidad de Leyden, Holanda, su descubridor. El doctor Onnes obtuvo el Premio Nobel de Física en 1913 “por sus investigaciones de las propiedades de la materia a bajas temperaturas que condujeron, entre otras cosas, a la producción de helio líquido”. Había logrado, en 1908, licuar el helio, y este hecho lo llevó a su descubrimiento de la superconductividad en el mercurio al enfriarlo a la temperatura del helio líquido (−269 °C, aproximadamente).

No fue sino hasta 1957 cuando pudo entenderse el origen del fenómeno, al menos en lo que ahora conocemos como superconductores convencionales (para distinguirlos de los descubiertos más recientemente, los superconductores cerámicos), cuando J. Bardeen (fallecido en 1991), L. Cooper y R. Schrieffer enunciaron su teoría de la superconductividad, que ahora se conoce como teoría BCS, en su honor. A Bardeen, Cooper y Schrieffer se les otorgó el Premio Nobel de Física en 1972 por su teoría, que se basa en la existencia de los llamados pares de Cooper, que son parejas de electrones ligados entre sí y que se forman, según la teoría BCS, por la interacción atractiva de dos electrones inducida por un fonón.

Después de la formulación de la exitosa teoría BCS, apareció otro avance notable en el estudio de los superconductores cuando un estudiante de doctorado de la Universidad de Cambridge, en Inglaterra, predijo que aparecería un flujo de corriente entre dos materiales superconductores aun cuando estuvieran separados por un aislante. Esta predicción fue confirmada posteriormente y se le otorgó el Premio Nobel de Física de 1973; lo compartió con Leo Esaki por su descubrimiento del efecto de tunelamiento electrónico en los materiales semiconductores, y con Ivar Giaever por su descubrimiento del efecto de tunelamiento electrónico en superconductores, comprobando las predicciones de Josephson. Este efecto de tunelamiento electrónico en superconductores se conoce ahora como efecto Josephson, cuya aplicación discutimos en otra parte de este libro. El ahora llamado efecto Josephson tiene muchas aplicaciones en numerosos dispositivos electrónicos. El más espectacular es el SQUID, que permite medir campos magnéticos muy poco intensos y tiene numerosas aplicaciones médicas e instrumentales en la física y la ingeniería.

En 1986, J. C. Bednorz y K. A. Müller, en un laboratorio de investigación de la compañía IBM en Zúrich, Suiza, hicieron el descubrimiento de los materiales superconductores cerámicos que han alcanzado ya temperaturas de transición superconductoras por arriba de la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido (de hecho ya se tienen temperaturas de transición por arriba de los 134 K) y que hace ya muy atractiva y factible la utilización de los materiales superconductores, con todas sus maravillosas propiedades, en la vida diaria del ser humano. Por su descubrimiento, a Bednorz y Müller se les otorgó el Premio Nobel de Física en 1987.

En 2003 se otorgó el Premio Nobel de Física a tres científicos muy relevantes: Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg y Anthony Leggett. Es bien sabido que la teoría BCS es adecuada para los llamados superconductores tipo I, pero no para los que son tecnológicamente más importantes, los superconductores tipo II. En los superconductores tipo II, magnetismo y superconductividad coexisten al mismo tiempo y permanecen en el estado superconductor con campos magnéticos muy intensos. Alexei Abrikosov explicó con éxito este fenómeno. Su punto de partida fue una teoría formulada para los superconductores tipo I por Vitaly Ginzburg (fallecido a los 93 años, el 8 de noviembre de 2009) y otros colegas, pero que resultó ser tan amplia que era también válida para los superconductores tipo II. Aunque estas teorías fueron desarrolladas en la década de 1950, este tipo de superconductores ha ganado importancia renovada por el rápido desarrollo de materiales con propiedades completamente nuevas. En la actualidad los materiales superconductores se están obteniendo con temperaturas críticas cada vez mayores y con campos magnéticos críticos cada vez más intensos.

Por otro lado, el helio líquido, a bajas temperaturas, puede volverse superfluido, esto es, que pierde totalmente su viscosidad y puede fluir a través de aberturas del tamaño de un átomo sin ninguna dificultad. Los átomos del poco común isótopo de helio conocido como helio-3 se vuelven superfluidos formando pares análogos a los pares de electrones en un superconductor. En la década de 1970, Anthony Leggett formuló la teoría que explica el ordenamiento de los átomos en los superfluidos. Como dato interesante, estudios recientes muestran cómo este ordenamiento en un superfluido se transforma en caos o turbulencia, que es uno de los problemas no resueltos de la física clásica.

Aunque ya se sabe con certeza que en estos materiales (como en los materiales superconductores convencionales) existen los pares de Cooper, que son los responsables del estado superconductor, todavía no se conoce el mecanismo (o combinación de mecanismos) que lleva a su formación, aun cuando se puede descartar la intervención de los fonones en algunos de los nuevos compuestos cerámicos superconductores, como quedó claro en 2005.

En este trabajo se pretende describir, de manera sencilla, el fenómeno de la superconductividad, con sus principales características y aplicaciones. Las partes en forma de transcripción y en tipo menor tratan temas destinados a personas que saben un poco de mecánica cuántica o de física del estado sólido, y pueden ser excluidas de la lectura sin perder continuidad.

En esta nueva edición hemos revisado, actualizado y ampliado el contenido del libro. Se incluyen temas nuevos, como los superconductores atípicos, que son de una gran variedad y en muchos casos están cuestionando todos los conceptos fundamentales que teníamos de los superconductores. Como ejemplo está el material superconductor, compuesto de plutonio, que resulta asimismo un material radiactivo. Nadie hubiese esperado que se pudiera tener un material superconductor en este caso y con una temperatura de 18.5 K, que es bastante alta. Aunque no parecen posibles las aplicaciones de este material por ser radiactivo y altamente tóxico, su descubrimiento plantea nuevas interrogantes sobre el estado superconductor. Por otro lado, muchas de las aplicaciones que parecían solamente posibles, son ya realidades.

Para terminar, es necesario mencionar que el descubrimiento y estudio de los superconductores, con la secuela de todas sus enormes y fascinantes posibilidades de aplicación y su correspondiente efecto económico, constituye uno de los ejemplos más claros de que una de las inversiones más redituables que puede realizarse en cualquier país es la investigación científica.

Los superconductores

Luis Fernando Magaña Solís

La Ciencia para Todos

ÍNDICE

AGRADECIMIENTOS

PRÓLOGO A LA SEGUNDA EDICIÓN

PRÓLOGO A LA PRIMERA EDICIÓN

PREFACIO

I. Qué es la superconductividad

HISTORIA