6.11 Superconductividad y efecto Josephson

Inicio ／ Capítulo 6: Dominio cuántico

I. Fenómenos y preguntas

Al enfriar ciertos metales o cerámicas, la resistencia cae por debajo de lo medible y una corriente puede circular durante años sin decaer. El campo magnético aplicado es expulsado del volumen y solo penetra como tubos de flujo cuantizado. Si interponemos una barrera aislante delgada entre dos superconductores, fluye una corriente estable aun sin tensión; bajo irradiación de alta frecuencia, la tensión muestra escalones discretos.

Estas señas —resistencia nula, diamagnetismo perfecto (con penetración cuantizada), supercorriente a cero sesgo y escalones bajo radiofrecuencia— plantean dudas directas: ¿por qué la “fricción” desaparece al enfriar? ¿por qué el campo solo entra en cuantos fijos? ¿cómo puede pasar corriente a través de un aislante, y por qué las microondas generan mesetas de tensión ordenadas?

II. Lectura desde EFT: pares de electrones con fase bloqueada, canales disipativos cerrados y relevo coherente a través de una barrera

1. Primero emparejar, luego coser la fase.
   En la Teoría de Filamentos de Energía (EFT), el electrón es un retorcido estable cuya capa externa interactúa con la mar de energía (Energy Sea) y la red cristalina. Al bajar la temperatura disminuye el ajetreo del retículo y, en algunos materiales, se abre un “corredor de tensión” más liso que facilita que dos electrones se sigan con orientaciones opuestas y formen un par electrónico. El emparejamiento suprime o reduce muchos canales de disipación. Un enfriamiento adicional alinea las fases externas de muchas parejas y tiende una red de fase común que cubre toda la muestra: una especie de “alfombra fluida”.
2. Por qué resistencia nula: cerrar las pérdidas de forma colectiva.
   La resistencia ordinaria proviene de pequeñas vías por las que la corriente pierde energía (impurezas, fonones, rugosidades). Una vez extendida la alfombra de fase, es difícil nuclearlas; el umbral de pérdida sube con brusquedad. Mientras el forzado no desgarre la alfombra, la corriente no fuga energía: observamos resistencia nula.
3. Por qué expulsión y cuantización de flujo: la fase rehúsa torcerse.
   Para permanecer lisa, la alfombra de fase no puede ser torsionada a voluntad por un campo. Aparecen corrientes de pantalla en la superficie que expulsan el campo (efecto Meissner). En ciertos materiales se permiten tubos finos de flujo, cada uno con un número entero de vueltas de la fase: cuantización del flujo. Puede imaginarse cada tubo como un núcleo hueco de tensión alrededor del cual la fase se arremolina; se repelen y forman entramados geométricos.
4. Por qué la corriente Josephson: relevo coherente en una rendija cuasi crítica.
   Si separamos dos alfombras de fase con un aislante ultrafino, la rendija queda en un estado cerca del umbral. A través de esa ranura estrecha, las fases de ambos lados se relevan de modo coherente: no es un electrón “empujando”, sino un puente de fase breve que se cose entre las dos orillas.
   • Si ambos lados llevan el mismo compás, el puente transmite fase y aparece una supercorriente continua sin tensión (Josephson dc).
   • Si los compases difieren —por una tensión dc o una radiofrecuencia aplicada—, la diferencia de fase avanza de forma uniforme o se bloquea al estímulo externo, y el puente bombea supercorriente a ritmos fijos: respuesta ac y escalones de tensión con microondas.
5. Por qué no todo es perfecto: defectos y desgarros reabren pérdidas.
   Corrientes grandes, campos fuertes, temperatura elevada o “anclajes” para vórtices cuantizados pueden abrir agujeros en la alfombra; la energía escapa por allí. Surgen corrientes críticas, picos de pérdidas y respuestas no lineales.

III. Escenarios típicos

• Dos familias de superconductores.
  Unos expulsan casi todo el campo pero fallan bruscamente al superar un umbral; otros admiten flujo por tubos y forman redes de vórtices con campo alto, manteniendo la conducción. Ambos casos reflejan tolerancias distintas de la alfombra de fase a la torsión magnética.
• Anillos superconductores y corrientes persistentes.
  En un lazo cerrado, la fase debe dar un número entero de vueltas; si no se desgarra, la corriente persiste. Ajustar el flujo a un valor no entero provoca un salto al entero más cercano, creando estados discretos y estables.
• Uniones túnel y enlaces débiles.
  En una ranura ultrafina fluye supercorriente a tensión nula; bajo microondas, la tensión se bloquea en escalones regulares, prueba de sincronía de fase con el estímulo externo.
• Lazos en paralelo: interferómetros.
  Dos “puentes de fase” que forman un anillo recogen desfases distintos por el flujo externo; la supercorriente oscila periódicamente con el flujo y habilita magnetometría ultrasensible.

IV. Huellas observables

• Caída abrupta a resistencia nula a cierta temperatura crítica.
• Diamagnetismo perfecto o entramados geométricos de tubos de flujo.
• Supercorriente a cero tensión y corriente crítica bien definida.
• Escalones de tensión bajo radiofrecuencia (bloqueo de fase).
• Periodicidad de interferencia en lazos.
• Pinzado y deslizamiento de vórtices: con defectos bajan pérdidas y sube la corriente crítica; al moverse vórtices aparecen picos disipativos.

V. Concordancia con la descripción convencional

• La teoría convencional modela el condensado de pares como un parámetro de orden macroscópico (amplitud compleja con fase). La resistencia nula surge de un flujo de fase sin disipación; el diamagnetismo, de una fase reticente a torcerse; la cuantización del flujo y los vórtices, de la exigencia de enrollamientos enteros.
• La EFT cuenta lo mismo con una geometría tangible: par electrónico = arrollamientos emparejados; alfombra de fase = red de fase común en toda la muestra; resistencia nula = cierre colectivo de pérdidas; cuantización de flujo = defectos topológicos de núcleo hueco; efecto Josephson = puente de fase corto cosido a través de una rendija cuasi crítica. Los dos lenguajes concuerdan en fenómenos y relaciones cuantitativas; la EFT añade un relato material de “hilos y mar”.

VI. En síntesis

La superconductividad no es que los electrones “se vuelvan perfectos” de repente. Ocurre porque primero se emparejan y luego bloquean la fase para tejer una alfombra común:

• Con excitación suave, la alfombra cierra las pérdidas: resistencia nula.
• La alfombra rechaza la torsión arbitraria: expulsa el campo o lo admite solo como vórtices cuantizados.
• Entre dos alfombras, una rendija cuasi crítica permite coser un puente de fase: la supercorriente fluye a tensión nula y, bajo microondas, se bloquea en escalones.

En una frase: emparejar, bloquear fase, relevar a través de la barrera: ahí está la “magia” de la superconductividad y del efecto Josephson.