Física bajo cero: superconductividad, superfluidez y superátomos

Cuando los físicos se pusieron a enfriar diferentes materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto se encontraron con que la materia presentaba unas propiedades tan increíbles que jamás las hubieran podido imaginar.

 

El estudio de la materia cuando se encuentra sometida a bajísimas temperaturas ha proporcionado resultados sorprendentes. Por ejemplo, cuando intentamos licuar el helio. Lo consiguió el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes en 1908. Un gran logro teniendo en cuenta que el helio hierve a –269º C y entonces los métodos de criogenización eran demasiado rudimentarios. Debemos tener en cuenta que el helio posee la temperatura de ebullición más pequeña y a la presión atmosférica normal nunca se congela. De igual modo que los coches usan el agua como refrigerante, Onnes usó el helio líquido para congelar otras sustancias, como el mercurio, que solidifica a -38,89º C. Al medir su conductividad eléctrica encontró, como se esperaba, que cuanto menor era la temperatura del mercurio, mejor conducía la corriente. Pero al llegar a -269º C descubrió que su resistencia eléctrica desapareció por completo: Kamerlingh Onnes acababa de descubrir la superconductividad. Esto significa que no se calientan y, por tanto, no hay pérdidas de energía eléctrica al llevar la corriente de un lado a otro, algo que resulta impagable para cualquier empresa eléctrica. De hecho, se calcula que si se descubrieran materiales superconductores a temperatura ambiente se ahorrarían un 20% de las pérdidas en la energía que se transporta desde las centrales eléctricas hasta las casas.

El inconveniente de estos materiales está en la temperatura crítica que hay que alcanzar para conseguir que un material se vuelva superconductor: para los compuestos metálicos es del orden de -250º C. En 1986 se descubrió que no solo los metales y aleaciones metálicas presentaban esta propiedad: en los Laboratorios IBM en Zurich encontraron que cuando el óxido de cobre y lantano, que es un aislante, se dopa con bario, se convierte en superconductor a -237º C. Años más tarde se encontraron materiales cerámicos que también presentaban superconductividad: son conocidos como superconductores de alta temperatura, -150º C. ¿Existen sustancias superconductoras a temperatura ambiente? Se buscan con ahínco pues no hay ningún impedimento teórico que lo impida. Por otro lado, los superconductores también presentan otra fascinante propiedad, llamada efecto Meissner-Ochsenfeld: expulsan completamente el campo magnético de su interior, lo que hace que un imán flote encima de ellos. ¿Tendremos algún día trenes de alta velocidad que leviten sobre raíles superconductores?

Superfluidez

No acaban aquí las sorpresas. Contra todo pronóstico, a Kamerlingh Onnes se le pasó una de las propiedades más sorprendentes del helio líquido. En 1938 el ruso Pyotr Kapitsa y los canadienses John Allen y Austin Misener encontraron que por debajo de -271º C el helio líquido se convertía en un excelente conductor del calor, 200 veces mejor que el cobre. Y no sólo eso, sino que presentaba una viscosidad inferior a una diezmilésima de la que tiene el hidrógeno gaseoso: es el fenómeno de la superfluidez.

Todos los líquidos presentan oposición al fluir: es la viscosidad, producto de las fuerzas de rozamiento que aparecen entre las propias moléculas del líquido y entre éstas y las de la superficie sobre las que resbalan. Algunos, como el champú o la miel, son muy viscosos. Otros, como el agua, no lo son tanto. Los científicos del siglo XIX encontraron las ecuaciones que describen el comportamiento de un fluido, pero pronto se dieron cuenta que introducir la viscosidad iba a ser algo extremadamente complicado. Así que tras varios intentos hicieron lo que todos los que se dedican a hacer modelos físicos: eliminar complicaciones innecesarias, aunque como en este caso sea una característica definitoria de un líquido. Al genial físico John Von Neumann le repugnaba una dinámica de fluidos donde se hiciera oídos sordos a la viscosidad y tildaba a quienes la desarrollaron de teóricos de secano. Sin embargo, esas ecuaciones eran inútiles para todos los líquidos de la naturaleza excepto uno: el helio líquido a -271 grados centígrados. Por debajo de esa temperatura su viscosidad prácticamente desaparece, convirtiéndose en superfluido. Esto hace que podamos ver cómo el helio literalmente sube por las paredes del vaso que lo contiene y se derrama en el exterior. Este hecho tiene unas aplicaciones tecnológicas importantes, como es la localización de microagujeros en conductos y tuberías: el helio superfluido se puede ‘colar’ tranquilamente por agujeros de un tamaño inferior a 2 diezmilésimas de milímetro.

Superátomos

En esta peculiar carrera de descubrir fenómenos sorprendentes a bajas temperaturas, un grupo del Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA), en Boulder, Colorado, culminaba en 1995 un esfuerzo de dos décadas por parte de los científicos de todo el mundo por comprobar experimentalmente una predicción hecha hace casi 80 años por Albert Einstein y el hindú Satyendra Nath Bose. A temperaturas normales, los átomos de un gas se distribuyen por todo el volumen del recipiente que los contiene. Pero a temperaturas extremadamente bajas, del orden de unas pocas mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto, los átomos pierden su identidad individual (resulta imposible distinguirlos) y se comportan como si fueran un único “superátomo”: es el condensado de Bose-Einstein, el estado de la materia que se encuentra por debajo del sólido. El grupo de JILA consiguió enfriar 2 000 átomos de rubidio por debajo de cien mil millonésimas de grados absolutos durante 10 segundos, creando el primer condensado de Bose-Einstein de la historia.

Podríamos preguntarnos porqué los físicos hablan siempre de grados absolutos de temperatura o grados Kelvin. ¿Qué tiene de especial ese valor de -273,16º C? ¿No puede haber nada más frío? La respuesta es no. La temperatura es, simplemente, una medida de la agitación de los átomos y las moléculas. Cuantos más se muevan, más temperatura mediremos. En el cero absoluto todo movimiento se detiene y, por tanto, no se puede bajar más.

Referencias

Onnes, H. K. (1911) The Superconductivity of Mercury., Comm. Phys. Lab. Univ. Leiden, 122-124

Rubinin, P. E. (1997) The discovery of superfluidity. Letters and documents, PHYS-USP, 40 (12), 1249-1260

También te puede interesar:
Miguel Ángel Sabadell

Miguel Ángel Sabadell

Astrofísico y doctor en física teórica. Miembro del Comité Editorial de Muy Interesante, es autor de catorce libros, más de 300 artículos y creador de una treintena de proyectos de divulgación científica. Es colaborador habitual en prensa, radio y televisión, y consultor para exposiciones temporales y museos.

Continúa leyendo