SUPERCONDUCTIVIDAD:

SUPERCONDUCTIVIDAD:

CUANDO LOS VORTICES SE ANIMANSe ha puesto a punto una tcnica para visualizar las lneas de flujo magntico en la superficie de un superconductor se trata de una herramienta importante para comprender mejor la superconductividad.En los superconductores de tipo 11, el campo magntico exterior puede penetrar en el material en forma de lneas de flujo individuales, llamados vrtices. Un equipo de los laboratorios de Hitachi ha loqrado visualizar la red de vrtices de una pelcula delgada de xido superconductor y seguir su evolucin en funcin de la temperatura o del campo magntico aplicado. La tcnica recurre a un microscopio electrnico de haz bien colimatado (A). Los electrones atraviesan la pelcula superconductora, que est inclinada y sometida a un campo magntico. Los electrones, desviados por los vrtices, producen, en un plano imagen bien elegido, una imagen en la cual los vrtices aparecen en forma de pequeas manchas claras medio oscuras (B,C). Esta tcnica de holografa electrnica es muy interesante para comprender la fsica de las redes de vrtices y, adems, los mecanismos de la superconductividad de los superconductores de alta temperatura crtica.

El principio de siglo presenci los primeros pasos de la superconductividad. En este periodo se hizo un descubrimiento sorprendente: por debajo de una temperatura crtica de 4,2 Kelvin (K), la resistencia elctrica del mercurio se anula brutalmente. Desde entonces, otros muchos materiales han venido a aadirse a la lista de los superconductores. En particular, en 1986, se descubrieron los derivados de xidos de cobre que, por su alta temperatura crtica -varias decenas de Kelvin- son los ms prometedores para las aplicaciones industriales, como el almacenamiento de energa elctrica, la electrnica de gran velocidad o los trenes de sustentacin magntica. Para estos compuestos el enfriamiento ya no requiere el helio lquido, nica sustancia que permite bajar de los 20 K, sino el nitrgeno lquido, menos costoso. Una vez resuelto el problema del enfriamiento, es preciso an que la superconductividad de dichos materiales se mantenga para corrientes lo bastante intensas y que soporte la presencia de un campo magntico. sta es una las razones que explican los esfuerzos desplegados por los investigadores para llegar a comprender mejor los mecanismos de la superconductividad. Una tcnica de holografa, creada por el equipo de A. Tonomura, del laboratorio de investigacin anvanzada de Hitachi, en Hatoyama (Japn), constituye un inapreciable instrumento de investigacin que permite visualizar y seguir en tiempo real la red de Abrikosov, formada por las lneas de flujo magntico que surcan la superficie de un conductor sometido a un campo magntico. Podra ser que, con estas imgenes inditas, la superconductividad de alta temperatura revelara algunos de sus misterios. De qu se trata? Hay dos grandes clases de superconductores: (2) los superconductores de tipo I y los de tipo II. Todos los superconductores poseen la propiedad caracterstica de no dejar penetrar dbiles campos magnticos externos. Aplicando un campo magntico mas intenso, se destruye la superconductividad en los materiales de tipo 1(La mayora de los metales puros) que regresan al estado de metal ordinario. En cambio los materiales de tipo II, a los que los derivados de xidos de cobre recientemente descubiertos, el campo magntico, para un cierto intervalo de valores, penetra no uniformemente en forma de lneas de flujo magntico. Cada una de estas lneas representa una cantidad de flujo elemental, llamada cuanto de flujo, y constituye el eje de un vrtice, especie de torbellino de corriente elctrica (vase Las superredes de superconductores, Mundo Cientfico n135, mayo, 1993). El centro de un vrtice est formado por una regin no superconductora en la que penetra el campo magntico. En torno a este nmero las corrientes anulan el campo magntico entre vrtices. En ausencia de toda perturbacin (impurezas, defectos cristalinos, agitacin trmica) estos vrtices se organizan en una red regular. El comportamiento de los vrtices es objeto de numerosos trabajos. En particular ciertas teoras sugieren que, en los dos superconductores, la red formada por los vrtices va perdiendo progresivamente su orden a medida que va desapareciendo la superconductividad, anlogamente a como una red de tomos pasa del estado slido al estado lquido. Se habla entonces de fusin y de fase lquida de los vrtices.(3) Una de las principales razones que impulsan a los cientficos a estudiar dichas redes de vrtices estriba en que una corriente que circula por un superconductor induce una fuerza sobre las lneas de fuerza magntica. Si estn libres de moverse, estas lneas de fuerza disiparn energa y producirn una resistencia efectiva. En tal caso, el superconductor vale incluso menos que un buen conductor clsico.

Se comprende, pues, la importancia crucial de los mtodos de imaginologa para dilucidar la dinmica de las redes de vrtices y las condiciones que gobiernan el anclaje de las lneas de flujo en el material. El problema de las tcnicas desarrolladas hasta ahora es que no permiten viavilizar la red y seguir simultneamente su evolucin en tiempo real. Adems, solo dan resultados satisfactorios para una gama reducida de campos magnticos y de temperaturas. La decoracin magntica, por ejemplo, que consiste en espolvorear el material superconductor con pequeas partculas ferromagnticas que se acumulan en la emergencia de las lneas de flujo, da buenas imgenes, pero slo para redes estticas, de baja temperatura.

Estas limitaciones desaparecen con la tcnica de holografa electrnica puesta a punto por el equipo de Hitachi (fig. A). En ella intervienen las propiedades de ptica ondulatorio de los electrones, por lo que se requieren haces electrnicos muy coherentes, muy poco divergentes. El principio es el mismo que el de la microscopa Lorentz, inicialmente realizada para visualizar estructuras de dominios magnticos en pelculas delgadas de materiales ferromagnticos.(5) Un haz de electrones es localizado sobre una pelcula delgada superconductora sometida a un campo magntico.

ELECTRONES PARA OBSERVAR LOS VORTICES Y SEGUIR SUS MOVIMIENTOS

Al pasar cerca de una lnea de flujo magntico correspondiente a un vrtice, los electrones sufren una ligersima deflexin. Las regiones en las cuales el haz sufre la deflexin corresponden a zonas de poca intensidad en la imagen. El pequesimo ngulo de deflexin de los electrones, del orden de 10-6 radianes, no permita observar variaciones de intensidad en una imagen normalmente focalizada. As, se desfocaliza la imagen como si se quisieran visualizar objetos, reales o virtuales, situados en un plano distinto al de la muestra. Los vrtices aparecen entonces como pequeos glbulos, con una mitad oscura y otra brillante, siendo la lnea de separacin paralela a la proyeccin de los vrtices sobre el plano imagen (fig B y C). Aunque el concepto es relativamente simple, la tcnica presenta muchas dificultades. En efecto, es preciso que la divergencia del haz sea netamente inferior a la debilsima desviacin que sufre un electrn al pasar por un vrtice y que el haz posea una energa suficiente para atravesar la muestra sin perder esta debilsima divergencia. El microscopio electrnico utilizado, que produce haces de divergencia muy inferior a 10-6 radianes a alta energa (300 kV), es fruto de muchos aos de trabajo en el laboratorio de investigacin avanzada de Hitachi. La preparacin de las muestras a examinar, que deben ser lo bastante finas (entre 150 y 250 nanmetros) para permitir una observacin por transmisin, es ya por s sola una proeza. Por ltimo, para llevar a cabo estos experimentos imposibles de realizar en un laboratorio tradicional, ha habido que construir un edificio especial, aislado de todo ruido mecnico, elctrico o magntico.

En 1992, los investigadores de Hitachi haban visualizado ya la evolucin en tiempo real de vrtices en una muestra de niobio en funcin del campo magntico y de la temperatura. Pero la adaptacin de su mtodo a superconductores de alta temperatura, ms prometedores en cuanto a las aplicaciones, distaba de ser evidente. En particular, es difcil obtener estos superconductores en forma de una pelcula delgada desprovista de sustrato, y el elevado vaco al que se someten estos materiales puede provocar la desorcin de su oxgeno. No obstante, este ao se ha conseguido la hazaa, con una muestra de la familia de los BiSrCaCuO(7); el compuesto llamado Bi: 2212, de frmula Bi2Sr,8CaCu20x A baja temperatura y con un campo magntico fijado, por ejemplo de 15 gauss, se observa una red de vrtices aproximadamente triangular, una estructura ya familiar gracias a las imgenes obtenidas por otros mtodos. Para realizar el estudio dinmico, los investigadores empezaron por enfriar la muestra a 4,5 K sin campo magntico. Luego aplicaron un campo magntico creciente hasta llegar al valor en el que el campo empieza a penetrar en la muestra. Luego, a campo magntico fijo, la temperatura fue incrementada por intervalos de pocos grados.

A la temperatura de 4,5 K, los primeros vrtices aparecen a menos de unos pocos gauss. Luego, al aumentar la temperatura a campo magntico fijo (10 gauss en el ejemplo siguiente), se observa que los vrtices penetran otra vez en la pelcula por sus bordes. Entre 15 y 25 K, los vrtices se mueven colectivamente hacia el interior y, en tres minutos, alcanzan una nueva configuracin de equilibrio. Para una temperatura superior a 40 K, la red cubre completamente la pelcula. No obstante, si se sigue aumentando la temperatura, el contraste de la imagen se debilita y luego la red desaparece totalmente hacia 79,5 K, una temperatura muy prxima a la temperatura a la cual desaparece la superconductividad (para 10 gauss). La reduccin de contraste observada puede explicarse entre otras cosas por el hecho de que, al aumentar la temperatura, aumenta el radio de los vrtices y disminuye el ngulo de deflexin de los electrones. En cambio, los investigadores japoneses insisten en que los vrtices mantienen una estructura de red hasta su desaparicin y que ellos no han observado nada parecido a una fusin de la red.

Estas imgenes espectaculares. Sin duda, permitirn acelerar la comprensin de los complejos mecanismos de la superconductividad en los materiales de alta temperatura crtica.-

(1) D.J. Bishop, Nature, 366, 209, 1993.

(2) D.A. Huse et al., Nature, 358, 553, 1992.

(3) D.J. Bishop, Nature, 365, 394, 1993.

(4) P.1. Gammel et al., Phys. Rev. Lett., 59, 2592, 1987.

(5) D.J. Craik y R.S. Trebbie, in Ferromagnetismandferromagneticdomoins@ North Holland, 1965.

(6) K. Harada et al., Nature, 360, 51, 1992.

(7) K. Harada et al., Phy,s. Rev. Lett.,71, 3371 1993.

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