Superconductividad
Por debajo de una temperatura crítica, ciertos materiales conducen la electricidad con resistencia exactamente nula y expulsan los campos magnéticos, un estado cuántico macroscópico explicado por el emparejamiento de electrones.
Definition
La superconductividad es una fase termodinámica, a la que se entra por debajo de una temperatura crítica, en la que los electrones se unen en pares de Cooper que se condensan en un único estado cuántico coherente, produciendo una resistencia eléctrica exactamente nula y la expulsión del flujo magnético conocida como efecto Meissner.
Scope
Esta área cubre la fenomenología y la teoría microscópica de la superconductividad: resistencia cero y el efecto Meissner, las teorías fenomenológicas de London y Ginzburg-Landau, la teoría BCS del emparejamiento de Cooper, el comportamiento de tipo I y tipo II con vórtices de flujo, el efecto Josephson y los superconductores de alta temperatura basados en cupratos y hierro, aún inexplicados. Trata el estado superconductor como un fenómeno cuántico macroscópico y lo conecta con el magnetismo, los fonones y la fuerte correlación electrónica.
Sub-topics
Core questions
- ¿Por qué un superconductor expulsa el campo magnético (el efecto Meissner) en lugar de simplemente tener resistencia cero?
- ¿Cómo permite el mecanismo BCS que los electrones, que se repelen entre sí, se unan en pares de Cooper?
- ¿Qué distingue a los superconductores de tipo I de los de tipo II, y cómo surgen los vórtices de flujo?
- ¿Por qué los superconductores de cuprato de alta temperatura siguen sin ser explicados por la teoría BCS convencional?
Key concepts
- Resistencia cero y el efecto Meissner
- Pares de Cooper y la brecha de energía superconductora
- Teorías de London y Ginzburg-Landau
- Superconductores de tipo I, tipo II y vórtices de flujo
- Efecto Josephson y coherencia de fase macroscópica
Key theories
- Teoría BCS
- Bardeen, Cooper y Schrieffer demostraron que una atracción débil mediada por fonones une a los electrones cerca de la superficie de Fermi en pares de Cooper que se condensan en un estado coherente con una brecha de energía, explicando la resistencia cero, el efecto Meissner y el efecto isotópico.
- Teoría de Ginzburg-Landau
- Una teoría fenomenológica de parámetros de orden describe la transición superconductora y las variaciones espaciales del condensado; su relación entre la profundidad de penetración y la longitud de coherencia clasifica los superconductores como tipo I o tipo II y predice la red de vórtices de Abrikosov.
Clinical relevance
Los superconductores permiten la transmisión de energía sin pérdidas, los imanes de alto campo utilizados en los escáneres de resonancia magnética y los aceleradores de partículas, y los magnetómetros SQUID ultrasensibles y los cúbits de computación cuántica basados en el efecto Josephson; la superconductividad de alta temperatura sigue siendo uno de los problemas abiertos centrales en física.
History
Kamerlingh Onnes descubrió la superconductividad en el mercurio en 1911; el efecto Meissner (1933) y las fenomenologías de London y Ginzburg-Landau precedieron a la teoría microscópica BCS de 1957, y el descubrimiento en 1986 de la superconductividad en cupratos por Bednorz y Müller abrió el capítulo aún abierto de la superconductividad de alta temperatura.
Debates
- Mecanismo de la superconductividad de alta temperatura
- El mecanismo de emparejamiento en los cupratos y otros superconductores no convencionales no está establecido; si es impulsado por fluctuaciones de espín, otras correlaciones electrónicas o algún proceso asistido por fonones sigue siendo una cuestión activa y sin resolver.
Key figures
- John Bardeen
- Heike Kamerlingh Onnes
- Vitaly Ginzburg
Related topics
Seminal works
- bardeen1957
- bednorz1986
- tinkham2004
Frequently asked questions
- ¿Es un superconductor simplemente un conductor perfecto?
- No. Un conductor perfecto simplemente atraparía cualquier campo presente; un superconductor expulsa activamente el flujo magnético (el efecto Meissner), lo que lo marca como una fase termodinámica distinta en lugar de simplemente un metal sin resistencia.
- ¿Cómo pueden los electrones que se repelen entre sí emparejarse?
- En los superconductores convencionales, un electrón distorsiona la red de iones positivos, y la concentración resultante de carga positiva atrae un segundo electrón; esta atracción mediada por fonones puede superar la repulsión de Coulomb apantallada y unir un par de Cooper.