miércoles, 25 de septiembre de 2013

Vórtices y superconductores

 DIALOGO CON GABRIELA PASQUINI, DOCTORA EN FISICA, FCEN, UBA



El Jinete Hipotético recuerda cuando los superconductores cobraron visibilidad y su desarrollo prometía conseguir superconducción a temperatura ambiente. Eso no sucedió, pero hoy se usan industrialmente y sigue siendo un tema de interés.


–Usted se dedica a algo relacionado con las bajas temperaturas.
–En realidad, más o menos. Trabajo en un laboratorio que tiene un nombre histórico, el Laboratorio de Bajas Temperaturas, pero no me dedico específicamente a eso. Acá lo que tenemos es la posibilidad de licuar líquidos criogénicos y usarlos como una especie de heladera para hacer diversos experimentos.
–¿Qué son los líquidos criogénicos? –Nitrógeno, fundamentalmente. Lo sacamos del aire, se licua a 200 grados bajo cero (que son 77 grados Kelvin). Es un procedimiento bastante sencillo, si bien las máquinas son sofisticadas. En el caso del helio, que se extrae de pozos petrolíferos, el procedimiento es mucho más costoso (en términos económicos). Todos los equipos que trabajan con helio tienen un sistema de recuperación, de modo que se pierda lo menos posible.
–¿A qué temperatura licua el helio? –Cuatro grados Kelvin, 270 grados bajo cero. La mayoría de los experimentos los hacemos con helio líquido. La cuestión es que no investigamos el tema de las bajas temperaturas, sino que lo usamos para hacer investigaciones propias. Cuando se enfrían los materiales, podemos ver ciertas cuestiones.
–A ver... –En general, las fluctuaciones térmicas lo que hacen es mover mucho las cosas y desordenarlas. Cuando se enfría mucho, aparecen otras interacciones que empiezan a preponderar y se hacen interesantes para estudiar. La superconductividad o la magnetorresistencia son algunas de las cosas que nosotros investigamos y que aparecen cuando los materiales se enfrían.
–Cuénteme un poco de eso. –Nosotros estudiamos, específicamente, materiales superconductores. Y más específicamente, los vórtices de los superconductores.
–¿Qué es eso? –Cuando la gente oye hablar de superconductividad sabe que son materiales que pueden transportar corriente sin disipar. Pero los materiales superconductores tienen otras propiedades bastante interesantes: cuando uno los pone en un campo magnético, el campo penetra en este material. Y lo que penetra, penetra cuantizado: lugares donde hay campo y lugares donde no hay. Y de esos lugares hay justo una cantidad de campo que es un flujo de cuanto magnético, que es una cantidad cuántica. Entra un “pedacito” de campo magnético en un lugar, otro al lado, otro al lado, y así sucesivamente. Y esos flujos de campo magnético están rodeados por corrientes que los apantallan, y por eso se llaman vórtices.
–Descartes estaría encantado. –Seguramente. Si uno lo mira en escala nanométrica, se da cuenta de que el campo magnético no es uniforme, sino que “pincha” el material en un montón de lugares. Nosotros lo que estudiamos es cómo se mueven estos vórtices, estas corrientes, que determinan todas las propiedades de estos materiales, tanto las magnéticas como las que hacen a la superconductividad. Dependiendo de lo que pase con estos vórtices, el material disipa y deja de ser superconductor. Entonces a estos vórtices hay que agarrarlos y atraparlos en el material. Como le dije, dependiendo de todo lo que les pase a estos vórtices resulta cómo se comportan estos materiales, si el superconductor sirve o no sirve.
–La superconductividad tuvo un pico de interés hace muchos años... ¿y ahora? –Hace años se pudo encontrar superconductores a temperaturas que se obtienen con nitrógeno líquido. Hasta ese momento había que licuar helio para poder trabajar con superconductores.
–En ese momento se empezó a sospechar que se iba a poder obtener superconducción a temperatura ambiente. –Cosa que no sucedió. A los fines prácticos, que un superconductor esté 20 grados por encima del nitrógeno líquido no significa demasiado. No se llegó a temperaturas que ni siquiera se acerquen a lo que sería trabajar con superconductividad a temperatura ambiente. De todas maneras, superconductores de “alta temperatura” se usan industrialmente ahora: tienen un tubito adentro donde se refrigera el material...
–¿Por qué la baja temperatura produce superconducción? –No es que produzca superconducción: hay algunas interacciones que la temperatura borra y hace que dejen de preponderar. Cuando las mutaciones térmicas dejan de ser tan importantes, emergen estas nuevas características de los materiales. Y no pasa sólo con la superconductividad. Los materiales tienen generalmente un estado fundamental, que es el estado en el que energéticamente “les gusta” estar. A estos materiales “les gusta” ser superconductores. Cuando están a temperaturas muy altas no están en el estado fundamental, y lo mismo ocurre a temperaturas muy bajas. Al material le “gusta” ser superconductor por debajo de una temperatura que se llama “temperatura crítica”. Hay dos tipos de superconductores.
–¿Cuáles? –Los de tipo I son los primeros que se descubrieron, en 1914. Esos son metales bastante más sencillos; cuando se vuelven superconductores expulsan el campo magnético, mientras en el estado superconductor no disipan. Pero en esos materiales se rompe muy fácil la superconductividad. En campos magnéticos muy chicos, ya se sale del estado superconductor. No son muy útiles: se usan a temperaturas muy bajas y tienen campos críticos muy bajos. Después aparecieron aleaciones metálicas, los superconductores de tipo II, que tienen temperaturas críticas más altas (14 grados Kelvin, 20 grados Kelvin). Estos son los materiales en los cuales entran esos vórtices. Y lo mismo pasa con los superconductores de alta temperatura: no son superconductores que expulsan todo el campo magnético, sino que dejan entrar el campo cuantizado en forma de vórtice.
–¿Por qué son superconductores? –Porque efectivamente los electrones en los superconductores se aparean y forman pares de Cooper que no interactúan con los demás y se mueven sin disipación. El tema es que a estos materiales, los superconductores de tipo II (que son los que tienen los vórtices), les gusta formar superficies entre el material superconductor y el material que no es superconductor. Energéticamente, le conviene formar estos vórtices. La cantidad de vórtices depende de muchas cosas. Estos vórtices, que no son otra cosa que corrientes, interactúan entre ellos y forman una especie de red (esto se ve en fotos). Esto, si no hay defectos; si hay defectos, se tiende a desordenar la red de vórtices (que quieren estar lo más ordenados posibles). Estos vórtices, si hay mucha temperatura, pueden llegar a formar una especie de líquido, en el sentido que se mueven y es como si fueran moléculas de un líquido, o pueden formar una red ordenada (que sería como un sólido de vórtice), o pueden formar un vidrio de vórtice. Estas son las cosas que nosotros estudiamos.
–¿Y usted qué es lo que quiere averiguar? –Nosotros estudiamos qué pasa con estas fases de vórtices: que un vidrio se vuelve un sólido, o que un vidrio se vuelva un líquido, etc. Dependiendo de cómo esté el vórtice, cómo se va a mover y la respuesta que vamos a ver. Nosotros tratamos de entender qué les pasa a estos vórtices, y nos interesa por varios motivos. De por sí, hay algo que tiene que ver con la aplicación: si los vórtices se mueven y disipan, el material no sirve. Si se quedan quietos, el material será un buen superconductor. Eso, si bien no es lo que estudiamos nosotros, es relevante: la humanidad está interesada en entender bien el sistema porque es muy útil. Pero a nosotros nos interesa porque estos sistemas son análogos a otros sistemas: no-sotros podemos cambiar la cantidad de vórtices aumentando o disminuyendo el campo magnético; podemos hacer un montón de cosas con este sistema que no es tan fácil con otros sistemas. Y muchas de las cosas que encontramos para éste son aplicables para otros. Como éste es un sistema fácil de manipular, resulta muy productivo.