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Viernes 31 de octubre de 2003 Por
Verónica Engler (*)
Existe una realidad exuberante que se escapa al ojo avezado a las formas y colores de lo cotidiano. Ese mundo de liliputienses formado por partículas subatómicas, es el objeto de exploración de la física cuántica. Este año, justamente, el premio Nobel de Física fue entregado a tres científicos de esa especialidad que realizaron importantes aportes para estudiar la superconductividad y la superfluidez, dos extraños fenómenos que tienen lugar en lo más recóndito de la materia, cuando ésta es sometida a muy bajas temperaturas. Los superconductores y los superfluidos son materiales que tienen en común el no ofrecer resistencia: los primeros al paso de corriente eléctrica y los segundos al paso de partículas. Los ganadores del premio (1,3 millón de dólares) son el ruso devenido estadounidense Alexei A. Abrikosov (75), del Laboratorio Nacional de Argonne, en Illinois (EE.UU) y su ex compatriota Vitaly L. Ginzburg (87), del Instituto Físico P. M. Lebedev, de Moscú, por sus contribuciones a la teoría de los superconductores. El tercio restante del galardón le correspondió al británico Anthony Leggett (65), de la Universidad de Illinois, en Urbana-Champaign (EE.UU), por su trabajo con superfluidos. Superconduciendo electricidad Los materiales que nos rodean están formados por átomos que ocupan posiciones estables y le dan forma a una arquitectura peculiar hecha de ciertas simetrías (cúbicas, tetragonales, etc.). Estos ínfimos "ladrillos atómicos" vibran alrededor de posiciones de equilibrio sin abandonar su lugar en la estructura de la que son parte. Pero si la temperatura aumenta, el ritmo de vibraciones se acelera y, entonces, esta ciudadela equilibrada que hay en el interior de cada cosa que vemos, comienza a desmoronarse dando lugar a nuevas formas de organización. Por ejemplo, en los materiales que son buenos conductores (de electricidad), como el cobre o el aluminio, los electrones que están ubicados en las últimas capas de la estructura que conforma cada material se mueven libremente entre las estructuras atómicas y de esta manera se transforman en eficaces bólidos para transportar la carga eléctrica. En la cabeza de un alfiler entran aproximadamente tantos átomos como naranjas en la cancha de River Plate, así que es de suponer que cualquier muestra de materia que se tome no contenga una estructura perfecta de átomos que se encastran uno a otro, sino más bien puro movimiento y desarreglo. Entonces, los electrones que transportan electricidad deben circular en un espacio lleno de materia, por eso chocan con los iones que oscilan y con los defectos estructurales que siempre existen (como vacancias e impurezas). El efecto de esos choques es la disipación de energía. Por eso, para que una lámpara o un televisor permanezcan encendidos, es necesario conectarlos a una fuente de alimentación que provea todo el tiempo la potencia que se consume por esa "resistencia " con la que tienen que lidiar los electrones encargados de transmitir la corriente eléctrica. El fenómeno de la resistencia eléctrica ya había sido observado por el físico holandés Heike Kammerlingh Onnes a principios del siglo pasado. Este científico sentó las bases para la solución de este problema al descubrir que cuando el mercurio es enfriado hasta alcanzar una temperatura levemente superior al cero absoluto (éste equivale a -273°), la resistencia desaparece -por este descubrimiento recibió el premio Nobel de Física en 1913-. Aunque Onnes no pudo hallar una explicación para su hallazgo, acuñó el concepto de superconductividad para este singular estado de la materia que permite transmitir electricidad sin pérdida de energía. "Los superconductores pueden llevar una corriente en modo persistente, sin necesidad de estar alimentados por una fuente, porque la corriente no se degrada", explica la doctora Victoria Bekeris, responsable del Laboratorio de Bajas Temperaturas de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (FCEyN) de la UBA. La aplicación de la superconductividad es muy variada. Como los cables de materiales superconductores tienen resistencia cero, pueden transmitir enormes corrientes eléctricas sin pérdida de energía. "Las bobinas para generar campos magnéticos en los equipos de resonancia magnética nuclear están en modo persistente: les inyectan corriente, después sacan la fuente de alimentación y la corriente queda circulando -ejemplifica la investigadora-. Con bobinas chicas, pero que puedan transportar mucha corriente, se hacen imanes livianos que se usan en trenes de alta velocidad (450 kilómetros por hora) que levitan sobre los rieles gracias a campos magnéticos muy intensos generados por las corrientes superconductoras". Pasaron casi 50 años antes de que los físicos John Bardeen, Leon Cooper y Robert Schrieffer (premio Nobel de Física, 1972) estuvieran en condiciones de presentar una teoría (llamada BCS, por las iniciales de sus apellidos) que explicaba el fenómeno descubierto por Onnes. Pero esta explicación sólo abarcaba un tipo de material: aquel que pierde su capacidad superconductiva si el campo magnético generado por la corriente eléctrica excede cierto límite. "Antes de que se publicara esa teoría, Alexei Abrikosov predijo la existencia de otro tipo de superconductividad que llamó tipo-II -historia Bekeris-. En aquel momento, nadie tomó seriamente la predicción de que algunos materiales seguirían siendo superconductores incluso teniendo que soportar campos magnéticos bastante intensos, si dejaban que el flujo magnético penetre en forma de cuantos".
Cuando Abrikosov trabajaba en el Kapitsa Institute for Physical Problems en Moscú, formuló una explicación para describir a los superconductores tipo-II, utilizando una teoría desarrollada anteriormente por Vitaly L. Ginzburg en la década del 50. De esta manera se pudieron comenzar a comprender estos superconductores con propiedades magnéticas especiales. Puesto a observar este tipo de superconductores, lo que maravilló a Abrikosov fue el particular paisaje que ofrecían: estos materiales generan un campo magnético plagado de vórtices alrededor de los que circula la energía eléctrica, por allí penetra el magnetismo exterior. En el centro de estos pequeñísimos torbellinos el material se mantiene en estado "normal" -ofrece cierta resistencia-, pero en la zona excéntrica es superconductivo. En el Laboratorio de Bajas Temperaturas de las FCEyN estudian, entre otras cosas, las propiedades de los vórtices en superconductores de alta temperatura crítica, que son nuevos materiales descubiertos en 1986. Éstos superconducen a tan "sólo" 170 grados bajo cero, temperatura que se puede conseguir licuando aire, algo mucho más simple y económico que utilizar helio (necesario para lograr temperaturas cercanas al cero absoluto). "El sistema de vórtices es muy importante por muchas razones, en particular porque estos ´objetos´ pueden interactuar con las corrientes eléctricas que los mueven. Estos objetos, o cuantos de flujo magnético, tienen una física atrapante y compleja", relata fascinada Bekeris y enumera las múltiples actividades que se pueden observar en torno a estos minúsculos remolinos que generan situaciones muy peculiares. "Podemos mirar con luz polarizada las inestabilidades magnéticas, qué formas tienen y las propiedades de transporte". Si en la actualidad los cables de alta tensión no emplean metales superconductores es porque cuesta más enfriar kilómetros y kilómetros de cable que asumir el costo de la energía perdida en el trayecto. Por eso ahora la búsqueda se orienta a encontrar materiales que sean superconductores a temperaturas más altas, ya que de esta manera sería posible su aplicación masiva, y eso cambiaría radicalmente la manera de utilizar la electricidad. Como el universo mismo La superfluidez se obtiene al eliminar la viscosidad de los fluidos (gases y líquidos), que es la resistencia que éstos ofrecen al paso de corrientes de partículas. Al igual que ocurre con la superconductividad, la superfluidez se logra al enfriar, en este caso, los fluidos. Se ha demostrado que una de las variantes del helio, el helio 3 (3He), cuando es enfriada hasta alcanzar unas milésimas por arriba del cero absoluto pierde su viscosidad y se vuelve superfluido: no opone resistencia al desplazamiento (lo cual le permite escapar de los contenedores, atravesando poros en los que cualquier otro líquido estaría frenado por la fricción).
Anthony J. Leggett, es el autor de la teoría que permitió xplicar cómo se comportan los átomos y la forma en que se ordenan en el estado superfluido del helio 3. Esta teoría, que fue primero formulada para superfluidez en 3He, también ha probado ser útil en otras áreas de las física como la física de partículas y la cosmología. El superfluido de 3He es una herramienta que los investigadores pueden usar, por ejemplo, para estudiar fenómenos cosmológicos. Los superfluidos pueden ser útiles para emular esos fenómenos a escala de laboratorio y de esta manera hacer factible su estudio. Aunque no hay nada cotidiano con una temperatura cercana a los 270 grados bajo cero, se piensa que el universo se está enfriando y que la superfluidez será un estado común de la materia en el universo del futuro. (*) Centro de Divulgación Científica - SEGBE - FCEyN.
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