2o ciclo Presente y futuro de una teoría para la superconductividad

[Lise Meitner]

Hola,

Debido a un trabajo que hice hace algún tiempo, siento un gran interés por el mundo de los superconductores.

Pronto se cumplirá un siglo del descubrimiento de la superconductividad: aquel día de 1911 en que Kamerlingh Onnes publicó su artículo "The disappearence of the resistance of mercury".
Des de entonces, los superconductores se han investigado por dos grandes ramas: la práctica y la teórica.

Los logros a nivel práctico han sido sorprendentes, y dudo que Onnes pudiera imaginar que, hoy en día, existe un material tan sorprendente como el YBCO, o que enormes electroimanes superconductores estan trabajando en el LHC. Actualmente, hay laboratorios investigando día y noche para conseguir superconductores con una temperatura crítica cada vez más alta, así como estudiando sus sorprendentes propiedades.

Sin embargo... ¿Qué pasa con la teoría? Por lo que sé, existen dos grandes teorías para explicar la superconductividad: BCS y Ginzburg-Landau. La teoría BCS, pese a usar mecánica cuántica, no puede decir el porqué de los superconductores de alta temperatura, o los de tipo II. Por otro lado, la teoría Ginzburg-Landau usa un punto de vista macroscópico para tratar la superconductividad, y creo que se considera menos precisa que la BCS.
Tenemos, por lo tanto, dos teorías distintas, cada una con sus pros y sus contras, pero ninguna capaz de explicar totalmente la superconductividad.

Tengo la sensación de que la investigación en esa rama está más "estancada" (obviamente es un campo muy complejo), de que una teoría completa de la superconductividad no ha salido, de momento, a la luz.

Es por eso que he abierto este hilo, para discutir los avances en el estudio de los superconductores des de una prespectiva más teórica, para ir recopilando información en un campo de la física que, personalmente, me fascina. ¿Alguien tiene alguna novedad sobre ese interesantísimo tema?

Saludos.

[aLFRe]

Re: Presente y futuro de una teoría para la superconductividad

Recuerdo haber visto el fenómeno de la superconductividad sólo en Termología
del plan antiguo y como ejemplo de transición de fase conductor -> superconductor de segundo orden
- por la antigua clasificación de las transiciones de fase y hablando de memoria -
Supongo que se dará en otras asignaturas pero no en las que yo cursé del plan nuevo.

En textos antiguos de Termodinámica se suele hablar de la dependencia
de la resistividad del un conductor con la temperatura - aumenta -.
Esto se conoce desde hace mucho tiempo
y desde mediados del XiX se empezó a discutir lo que pasaría si recorremos el camino inverso,
esto es... si enfriamos el conductor
y sobre todo a preguntarse lo que pasaría si se alcanzase el cero absoluto de temperatura
- si tal cosa fuese posible -
Eso que Vd. comenta sobre la parte teórica y la experimental siempre sucede en la Física
y en la superconductividad pasó desde el principio.


El descubrimiento de la superconductividad en el laboratorio está asociado a la técnica :
la capacidad de enfriar el conductor.
En 1908 se puede obtener helio líquido y Onnes lo utiliza para enfriar mercurio hasta 4.19 K.
Para el mercurio a esa temperatura su resistividad cae
y en 1911 publica "On the Sudden Rate at Which the Resistance of Mercury Disappears"
como Vd. ha dicho.

Pero... ¿ y la explicación teórica del fenómeno ?
Lo primero que te suelen contar en clase de Termodinámica es que no se hacen hipótesis microscópicas
sobre el fenómeno objeto de estudio.
Ya le he comentado que a mi me presentaron la superconductividad en Termología
y he recordado esa transición como de segundo orden - esto no es cierto siempre -
luego eso nos lleva a la propuesta de Ginzburg y Landau - es de 1950 -.
Parte de la teoría de Landau de las transiciones de fase de segundo orden
- introduce un parámetro de orden, puesto que son transiciones orden <-> desorden -
y predice una cosa bastante curiosa y es que hay superconductores tipo I - puros y transición abrupta -
y tipo II - mezclas y transición gradual - y que no siempre es una transición de fase de segundo orden.


La teoría BCS - iniciales de los 'ideólogos' Bardeen, Cooper y Schrieffer - data de 1957
se detalla en 'Microscopic theory of superconductivity' y como dice el título es una teoría microscópica.
Son formas de trabajo distintas.
Un electrón 'gamberro' - carga negativa - atrae y perturba a los iones positivos de la red de un conductor.
Esta deformación influye sobre el movimiento de otro electrón
y da lugar a la formación de un par de Cooper.
¿ Por qué un par ?
Pues porque el principio de exclusión de Pauli dice que dos fermiones no pueden tener
todos sus números cuánticos iguales.
Luego el 'gamberro' tendrá spín el que sea y el otro spín contrario.


Lo que el transito por ambos caminos ha de aportarnos aún está abierto a sorpresas.
La aproximación de Ginzburg-Landau resulta ser un caso particular de un tipo de modelos usados en Mecánica Estadística
y por lo que se refiere a la BCS, yo leo - y Vd. puede leerlo también en este
enlace en inglés
que en 2006 se descubrió la 'Superconductividad Exótica'

Saludos.

[Lise Meitner]

Re: Presente y futuro de una teoría para la superconductividad

¡Gracias por el enlace! No tenía ni idea de eso de la Supercondictividad Exótica, es muy curioso :P

Sé que en termodinámica se consideran que los sistemas son como "cajas negras", es decir, que sólo importa la interacción del sistema con el entorno, y no la composición del sistema. Eso es lo que tú has dicho. Pero si se conoce la teoría BCS, me extraña que superconductividad se viera sólo en termología... No sería más bien objeto de estudio de la física del estado sólido? La verdad es que es una parte de la física muy difícil de ubicar, no sabría decir a qué campo pertenece exactamente... ¿Dónde lo ubicarías?

Por otro lado, cuando has mencionado los pares de Cooper no has hablado de la transferencia de un fonón entre ellos... Eso es cierto, ¿Verdad? Lo del spín ya lo sabía y es correcto, de hecho eso hace que un par de Cooper tenga el comportamiento de un bosón y que por lo tanto la superconductividad sea considerada una aplicación del condensado de Bose-Eistein... ¡Lo que nos relaciona la superconductividad con otro campo de la física!
Pero claro, sin saber todos los secretos de las partículas gracias a la BCS no podríamos afirmar eso sobre el condensado de Bose-Einstein... Es decir, ¿Que según Ginzburg y Landau eso no existe? Creo que la BCS abarca unas ramas de la física que con Ginzburg y Landau no se tratan... Un poco contradictorio, ¿No?

Me parece un tema interesantísimo, a ver si podemos debatir sobre él

Saludos.

[Dramey]

Re: Presente y futuro de una teoría para la superconductividad

Yo no sé mucho (por no decir nada) de superconductividad, pero si conozco a gente que trabaja en ellos, y son gente de física del estado sólido. Claro que seguro que hay gente que los estudia desde el punto de vista termodinámico. Me suena que hay algo que se está haciendo relacionando superconductividad/líquidos no de fermi, pero no es más que eso, me suena, no tengo ni idea de si es cierto o no.

[aLFRe]

Re: Presente y futuro de una teoría para la superconductividad

¡Gracias por el enlace!
No tenía ni idea de eso de la Supercondictividad Exótica, es muy curioso :P

De nada.
El término exótico se puso de moda hace unos años
y hay muchos fenómenos en Física que reciben ese adjetivo.

Sé que en termodinámica se consideran que los sistemas son como "cajas negras", es decir, que sólo importa la interacción del sistema con el entorno, y no la composición del sistema. Eso es lo que tú has dicho. Pero si se conoce la teoría BCS, me extraña que superconductividad se viera sólo en termología... No sería más bien objeto de estudio de la física del estado sólido? La verdad es que es una parte de la física muy difícil de ubicar, no sabría decir a qué campo pertenece exactamente... ¿Dónde lo ubicarías?

Lo que vimos en Termología fue la transición de fase conductor -> superconductor, no la BCS.
La BCS requiere una base en cuántica y en mecánica estadística
que no se presentan hasta cuarto curso ( plan de estudios de la licenciatura en créditos )
y Termología se daba en segundo curso ( plan de estudios anterior al estructurado en créditos, el del 73 )

El catedrático optó por presentarnos ese fenómeno para ilustrar las transiciones de fase de segundo orden
en uso de una cosa que se llama libertad de cátedra - aparece en la Constitución -
y de la que en España no se hace ni puñetero caso y así nos va.
Creo recordar que fue así...
Conservo los apuntes y si interesa puedo hacer un artículo
para mi blog
aunque supongo que no contaré nada que Vd. no sepa si su trabajo sobre superconductividad fue real
y no un descanso

Por otro lado, cuando has mencionado los pares de Cooper no has hablado de la transferencia de un fonón entre ellos... Eso es cierto, ¿Verdad? Lo del spín ya lo sabía y es correcto, de hecho eso hace que un par de Cooper tenga el comportamiento de un bosón y que por lo tanto la superconductividad sea considerada una aplicación del condensado de Bose-Eistein... ¡Lo que nos relaciona la superconductividad con otro campo de la física!

Yo no he hablado de fonones porque prácticamente no se presentan en la licenciatura.
Un par de electrones sufren una repulsión porque tienen la misma carga
y también existe una imposibilidad de que tengan todos sus números cuánticos identicos
- principio de exclusión de Pauli -.
He dicho que la forma de que el movimiento de un electrón se relacione con el de otro electrón
es usando la red del conductor como intermediario cuando hay unas condiciones de temperatura.
N o he entrado en la forma en que se describa esta interacción - via fonón -

Recuerdo que en Mecánica Estadística se citó el asunto de la superconductividad
y en relación al condensado de Bosé-Einstein.
No son lo mismo.
Hablando de memoría y con cuidado de no hacer mucho caso por si meto la pata
a diferencia del condensado de Bosé-Einstein - se produce para bosones -
en el superconductor - los electrones son ferminones - existe una 'aglutinación' en el espacio
de los momentos.
Le pedí al profesor el artículo que citó y lo tengo en casa... vuelvo a lo de antes...
si interesa puedo hacer un artículo
para mi blog

Pero claro, sin saber todos los secretos de las partículas gracias a la BCS no podríamos afirmar eso sobre el condensado de Bose-Einstein... Es decir, ¿Que según Ginzburg y Landau eso no existe? Creo que la BCS abarca unas ramas de la física que con Ginzburg y Landau no se tratan... Un poco contradictorio, ¿No?

Son caminos diferentes para explicar un mismo fenómeno.
Vd. misma lo ha dicho ¿ no ?
La Termodinámica no hace hipótesis alguna sobre la estructura microscópica.
De hecho en los artículos de la BCS no se cita la teoría de Landau-Ginzburg.

Por otra parte le he leido

¡Lo que nos relaciona la superconductividad con otro campo de la física!

si piensa en lo de los 'campos' como habitáculos estancos a los que uno accede con un corpus mathematica exclusivo
está muy equivocada.
Técnicas que se desarrollan para un fenómeno son útiles para otro fenómeno
o fenómenos que se estudian en Electromagnetismo se estudian en Mecánica Estadística...
Bah!... Física es Física y lo demás charltanería y barraca de feria.

Saludos.