Levitación Cuántica

Superconductores

Seguramente le es familiar el hecho que el cobre conduce electricidad; de igual manera sabrá que el plástico que recubre el cableado eléctrico aisla el flujo de corriente eléctrica de modo que es posible evitar cortocircuitos y accidentes. Esto nos permite hacer una distinción entre materiales conductores y no conductores de electricidad.

Estos fenómenos se asocian con un concepto llamado resistencia el cual es responsable de que algunos materiales sean conductores o no. Un material que opone una gran resistencia al flujo de corriente es lo que llamamos un aislante eléctrico; por otro lado, un material que opone poca resistencia al flujo de corriente es lo que se conoce como conductor eléctrico.

También, es posible que haya notado que el cargador de su teléfono móvil se calienta un poco luego de estar conectado a la red eléctrica por un tiempo prolongado; otra experiencia, menos común, es sentir que algunos cables se calientan cuando una corriente fluye a través de ellos, por ejemplo en los cables de las estufas que se conectan a 220V. Esto ocurre porque la corriente eléctrica que circula por los cables debe ceder parte de su energía al material conductor a través del cual fluye y esta energía se disipa en forma de calor. Este fenómeno de disipación lleva el nombre de efecto Joule y está presente en mayor o menor medida en todos los conductores de uso común cuando una corriente fluye en ellos. Sin embargo, existe un conjunto de materiales que bajo ciertas condiciones muy especiales de temperatura no oponen resistencia alguna al flujo de corriente a través de ellos; dichos materiales son llamados superconductores. Dado que los superconductores tienen resistencia nula, no hay las pérdidas de energía por efecto Joule, dando como resultado un material de importantes aplicaciones tecnológicas como por ejemplo en la construcción de equipos médicos de Imágenes por Resonancia Magnética o MRI.

El Efecto Meissner

Parece ser que la superconductividad y los campos magnéticos no se llevan muy bien.

Un material superconductor muestra sus propiedades de cero resistencia y superconductividad sólo cuando es enfriado por debajo de su temperatura crítica, al mismo tiempo, hay otra propiedad emergente de los superconductores en este estado: al ser expuestos a una fuente externa de campo magnético, las propiedades de superconductividad desaparecen; sin embargo, si el campo magnético es suficientemente débil lo que sucederá es que el material superconductor repelerá las lineas del campo magnético hacia la parte externa del material de modo que las lineas de campo no lo atraviesen, he aquí el efecto Meissner .

Concretando Ideas

Hasta ahora no hemos mencionado nada sobre levitación, salvo en el título, y se estará preguntando, “¿dónde entra la levitación en todo esto?”. La levitación aparece cuando hacemos que nuestro material superconductor se enfríe por debajo de su temperatura crítica, es decir, donde emergen sus propiedades de cero resistencia, y hacemos que sea suficientemente delgado como para permitir que, sometido a una fuente de campo magnético externa, algunas lineas de flujo le atraviesen, ¿Cuál es el resultado?

Ver vídeo:

Como se puede apreciar en el vídeo, un material superconductor de un espesor de apenas 0.5 micrómetros, algo así como media centésima del espesor de una hoja de papel, se pone sobre un cristal de zafiro que tiene un espesor de medio milímetro; estos elementos básicos son recubiertos con oro el cual sirve de protección dado que la unión superconductor-zafiro apenas alcanzará a tener el espesor de una hoja de papel. Una vez hecho esto se procede a enfriar el material a una temperatura inferior a -185ºC, la cual corresponde a la temperatura crítica de nuestro superconductor.

Cuándo se suspende el material superconductor congelado sobre un imán, algunas lineas de campo magnético no logran ser repelidas y atraviesan el superconductor a través de ciertos lugares bien definidos donde la superconductividad es localmente destruida; en estos lugares el superconductor amontona varias lineas de campo magnético como si fuesen columnas de sostén; estas columnas o tubos de flujo hacen que nuestro material superconductor levite en medio del aire atrapándolo en un mismo sitio; cuando el material cambia de posición, los tubos de flujo se reubican de forma que nuestro superconductor permanece suspendido.

Se preguntará que significa la palabra “cuántica” o “cuántico”, que usualmente se usa como adjetivo en diferentes fenómenos físicos, y cuál es su relación con la levitación que se ve en el vídeo. Grosso modo, decir que un sistema está cuantizado hace referencia a que los estados en que podemos encontrar el sistema parecen estar numerados como los asientos en una sala de cine. Considere que una persona que visita una sala de cine es nuestro sistema físico en consideración y nos referiremos a ella como tal. Al ingresar a la sala, nuestro sistema puede ocupar sólo una silla a la vez. Una vez que la persona toma asiento su ubicación estará totalmente determinada por el número de asiento que le correspondió y no podremos encontrar nuestro sistema en un lugar que no sea uno de los asientos disponibles en la sala. El sistema estará limitado a ocupar uno de los asientos ya que no es posible que la persona se siente en uno de los corredores, en dos sillas a la vez, en las entradas de acceso o en las escaleras.

Haciendo extensivo este análisis al levitador, la superficie del superconductor representa la sala de cine y los tubos de flujo corresponden a las personas que toman asiento; al tomar asiento sólo pueden hacerlo en unos lugares bien definidos. Es de notar que cada vez que el superconductor cambia de posición, también lo hacen los tubos de flujo de manera que el superconductor se mantiene en suspensión. Que los tubos de flujo en el levitador estén restringidos por números de asiento hace de nuestro levitador un Levitador Cuántico.

Para saber más...

Se requiere cierto manejo de inglés para visitar la página del equipo de investigación responsable del vídeo que inspiró este escrito[1].

Referencias 


[1] http://www.quantumlevitation.com/levitation/Quantum_Levitation.html