Què és la superconductivitat?

La superconductivitat és una part fantàstica de la física que té usos en molts factors de les nostres vides. Si els científics poguessin descobrir un superconductor de pressió i temperatura ambients, revolucionaria la tecnologia. Malauradament, aquesta ha demostrat ser una tasca molt difícil i pot ser que no sigui possible en absolut.

Què és la superconductivitat?

Un conductor elèctric és un material que pot conduir l'electricitat. Cada material té la seva pròpia resistència elèctrica que és una mesura de la seva oposició al flux d'un corrent elèctric. Un material amb alta resistència és un mal conductor i viceversa.

La superconductivitat és un fenomen físic on un material té una resistència elèctrica nul·la. En aquest estat, hi ha una sèrie d'efectes interessants i útils. Un superconductor que no té resistència significa que es pot fer passar un corrent elèctric a través d'ell sense perdre energia ni escalfar-lo. Això pot permetre una transmissió i emmagatzematge d'energia perfectament eficients.

Els superconductors també poden crear imants excepcionalment potents, exemples d'això es poden trobar en màquines de ressonància magnètica i en acceleradors de partícules. Els experiments han demostrat que els corrents elèctrics en aquests imants poden persistir durant anys sense cap disminució mesurable de la força. La investigació suggereix que el corrent seria estable durant almenys 100.000 anys, amb algunes estimacions que prediuen que el corrent podria persistir durant més temps que la vida útil estimada de l'univers.

Quan es col·loquen sobre un imant, els superconductors formen un camp magnètic igual que repel·leix l'imant. Això permet que els superconductors levitin perfectament per sobre o per sota d'un imant o fins i tot al llarg d'una pista d'imants.

Requisits de superconductivitat

Un material només comença a superconductor per sota d'una determinada temperatura, on la seva resistència elèctrica cau sobtadament a zero. Malauradament, tots els superconductors coneguts només esdevenen superconductors a temperatures extremadament fredes. Un superconductor "d'alta temperatura" es defineix com un material que es comporta com un superconductor per sobre de la temperatura del nitrogen líquid (73K o -200 °C). La temperatura exacta a la qual la resistència elèctrica d'un material cau a zero s'anomena "temperatura crítica".

Consell: els elements de la física especialment freds es mesuren generalment en Kelvin (K). Un Kelvin equival a un grau Celsius, però l'escala Kelvin comença al zero absolut, o -273,15 °C.

El superconductor de temperatura més alta descobert, a partir del 2020, és Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127, que té una temperatura crítica de 138K o -135 °C a una atmosfera de pressió.

La temperatura no és l'únic factor important en la superconductivitat, la pressió també juga un paper en una sèrie de superconductors. El sulfur d'hidrogen (H2S) té una temperatura crítica de només 203K (-70 °C) i el decahídrur de lantà (LAH10) té una temperatura crítica de 250K (-23 °C). Malauradament, aquests materials han d'estar a pressions increïblement altes per convertir-se en superconductors, amb H2S que necessita 986.923 atmosferes de pressió i LaH10 que necessita 1.677.770 atmosferes.

Consell: la pressió en aquesta escala es mesura generalment en GPa o Giga-pascals amb els números de 100 GPa i 170 GPa, respectivament. Per ajudar a fer més comprensible aquest valor, s'ha convertit en atmosferes. Una atmosfera de pressió és la pressió atmosfèrica mitjana al nivell del mar a la Terra. Per comparar, la pressió al punt més profund dels oceans de la Terra, el Challenger Deep a la fossa de les Mariannes, és de 1.071 atmosferes a 10.994 metres sota el nivell del mar.

Usos futurs potencials per als superconductors a temperatura ambient

El terme "superconductor a temperatura ambient" s'utilitza per referir-se a materials potencials futurs que presenten superconductivitat a temperatures superiors a 273 K o 0 °C. Per ser especialment útils al món real, aquests materials també haurien de ser superconductors a o prop d'una atmosfera de pressió.

Un superconductor a temperatura ambient ajudaria a reduir els problemes energètics del món eliminant gairebé l'energia elèctrica perduda durant la transmissió a llarga distància a través de línies elèctriques. També permetrien ordinadors més ràpids i dispositius d'emmagatzematge de memòria juntament amb sensors científics més sensibles. Seria molt més barat fer funcionar els imants súper forts utilitzats en dispositius com acceleradors de partícules, màquines de ressonància magnètica, prototips de reactors de fusió nuclear i trens maglev, ja que els imants no necessitarien nitrogen líquid per refredar el superconductor prou per funcionar.