CAPTULO 15: PROPIEDADES PTICAS Y MATERIALES SUPERCONDUCTORESPOR: HEBER DAVID RANGEL HERNNDEZ.

15.1 INTRODUCCIN

Las propiedades pticas de materiales desempean un papel importante en gran parte de la alta tecnologa de la actualidad

Se considerarn los materiales superconductores que tienen una resistencia elctrica cero debajo de sus valores crticos de temperatura, campos magnticos y densidades

de corriente. Hasta alrededor de 1987 la temperatura crtica ms alta para un

material superconductor fue aproximadamente de 25 K. En 1987 se hizo el

descubrimiento extraordinario de que algunos materiales cermicos podan hacerse

superconductores por arriba de 100 K.

15.2 LA LUZ Y EL ESPECTRO ELECTROMAGNTICO

La luz visible es una forma de radiacin electromagntica, con longitudes de onda que se extienden desde 0.40 a 0.75 m. La luz visible contiene bandas

de colores que van del violeta hasta el rojo, como se muestra en la escala

aumentada de la fig. La regin ultravioleta cubre el intervalo desde casi

0.01 hasta alrededor de 0.40 m, y la regin infrarroja se extiende desde

ms o menos 0.75 hasta 1000 m.

La verdadera naturaleza de la luz probablemente nunca se conozca. Sin embargo, se considera que la luz forma ondas y que est compuesta por

partculas llamadas fotones. La energa E, longitud de onda , y frecuencia v

de los fotones se relacionan mediante la ecuacin fundamental

donde h es la constante de Planck (6.62 10^34 J s) y c es la velocidad de la luz en el vaco (3.00 10^8 m/s). Estas ecuaciones permiten considerar

al fotn como una partcula de energa E o como una onda con una longitud

de onda y frecuencia especficas.

15.3 REFRACCIN DE LA LUZ

15.3.1 ndice de refraccin

Cuando los fotones de luz se transmiten a travs de un material

transparente, pierden algo de energa, y como resultado, la velocidad de la luz

se reduce y el haz luminoso cambia de direccin. En la figura 15 . 3 se muestra

de manera esquemtica cmo un haz de luz que entra desde el aire se retarda

cuando llega a un medio ms denso como el vidrio de una ventana comn. De

este modo, el ngulo de incidencia para el haz luminoso es mayor que el

ngulo refractado en este caso.

La velocidad relativa de la luz que pasa a travs de un medio se expresa mediante la propiedad ptica denominada ndice de refraccin n. El valor

de n de un medio se define como el cociente entre la velocidad de la luz en

el vaco, c, y la velocidad de la luz en el medio considerado, v:

15.3.2 Ley de Snell de la refraccin de la luz

Los ndices refractivos de la luz que pasa de un medio de ndice de refraccin n a otro medio de ndice dfe refraccin n, se relacionan con el ngulo

incidente y el ngulo de refraccin mediante la relacin

15.4 ABSORCIN, TRANSMISIN Y REFLEXIN DE LA LUZ

15.4.1 Metales

Los metales reflejan y/o absorben intensamente la radiacin incidente

desde longitudes de ondas largas (ondas de radio) hasta la mitad del intervalo

ultravioleta. Puesto que la banda de conduccin se traslapa con la banda de

valencia en los metales, la radiacin incidente eleva con facilidad los electrones

hasta los niveles de energa ms altos. Luego de descender hasta los niveles de

energa inferiores, las energas de los fotones son bajas y sus longitudes de

onda largas.

15.4.2 Vidrios de silicato

Reflexin de la luz en una superficie de placa de vidrio La proporcin de la luz incidente reflejada por una superficie de una placa de vidrio pulida es muy pequea. Esta cantidad

depende principalmente del ndice de refraccin n del vidrio y del ngulo de incidencia de la

luz en el vidrio.

Absorcin de la luz en una placa de vidrio El vidrio absorbe energa de la luz que transmite de manera que la intensidad luminosa disminuye cuando se incrementa la

trayectoria de la luz. La relacin entre la fraccin de luz que entra, I0, y la fraccin de luz

que sale, I, de una lmina o placa de vidrio de espesor t que no tiene centros de dispersin.

Reflexin, absorcin y transmitancia de luz en una placa de vidrio La cantidad de luz incidente que se transmite a travs de una placa de vidrio se determina por medio de la

cantidad de luz reflejada en las superficies tanto superior como inferior, as como por la

cantidad que se absorbe dentro de la placa. Se considerar la transmitancia de la luz a

travs de una placa de vidrio

15.4.3 Plsticos

Muchos plsticos no cristalinos como el poliestireno, el polimetil metacrilato y el

policarbonato, tienen excelente transparencia. Sin embargo, en algunos materiales plsticos hay

regiones cristalinas que tienen ndices de refraccin superiores a los de su matriz no cristalina. Si

estas regiones son de mayor tamao que la longitud de onda de la luz incidente, las ondas

luminosas se dispersarn por reflexin y refraccin, y, en consecuencia, disminuye la

transparencia del material.

15.4.4 Semiconductores

En los semiconductores los fotones de luz pueden absorberse de varias maneras. En

semiconductores intrnsecos (puros) como el Si, Ge y GaAs, los fotones pueden absorberse para

crear pares electrn-hueco y causar que los electrones salten la brecha de bandas de energa

desde la banda de valencia hasta la de conduccin. Para que ocurra lo anterior, el fotn de luz

entrante debe tener un valor de energa igual o mayor que el de la brecha de energa Eg. Si

la energa del fotn es mayor que Eg, el exceso de energa se disipa como calor.

15.5 LUMINISCENCIA

La luminiscencia puede definirse como el proceso mediante el cual una sustancia absorbe energa y luego emite espontneamente radiacin visible o

cercana a la visible. En este proceso la energa de entrada excita los

electrones de un material luminiscente desde la banda de valencia hasta la

banda de conduccin.

15.5.1 Fotoluminiscencia

En la lmpara fluorescente comn, la fotoluminiscencia convierte la radiacin

ultravioleta de un arco de mercurio de baja presin en luz visible utilizando un

halofosfato de fsforo. La luz ultravioleta de alta energa de los tomos de mercurio

excitados ocasiona que la pared interior recubierta de fsforo del tubo de la lmpara

fluorescente, emita luz visible de longitud de onda ms larga y energa menor.

15.5.2 Catodoluminiscencia

Este tipo de luminiscencia se produce mediante un ctodo energizado que

genera un haz de electrones de alta energa. Las aplicaciones de este proceso incluyen

las luminiscencias del microscopio electrnico, el osciloscopio de rayos catdicos y la

pantalla de televisores a color. La fosforescencia de esta ltima es especialmente

interesante.

15.6 RADIACIN DE EMISIN ESTIMULADA Y LSERLa luz emitida por fuentes de luz convencionales tales como las lmparas

fluorescentes, proviene de las transiciones de electrones excitados a niveles de energa

inferiores. tomos de los mismos elementos en estas fuentes luminosas emiten fotones

de longitudes de onda similares de manera independiente y aleatoria. En

consecuencia, la radiacin se emite en direcciones aleatorias y los trenes de onda

estn fuera de fase entre s. Este tipo de radiacin se dice que es incoherente. En

contraste, una fuente luminosa llamada lser produce un haz de radiacin cuyas

emisiones de fotones estn en fase, o son coherentes, y son paralelas, direccionales y

monocromticas (o casi). La palabra lser es un acrnimo cuyas letras significan

light amplification by stimulated emission of radiation (amplificacin de luz por

emisin estimulada de radiacin).

La entrada de alta intensidad de una lmpara de destellos de xenn puede proporcionar la energa necesaria para excitar a los electrones del ion Cr3+

desde el estado base hasta niveles de energa elevados, como se indica por

medio del nivel de la banda E3

15.6.1 Tipos de lser

Lser de rub La estructura y funcionamiento del lser de rub ya se describi. Este lser no se usa mucho en la actualidad por las dificultades que existen en el crecimiento de las barras de cristal en comparacin con la

facilidad de construir lser de neodimio.

Lser de neodimio-YAG El lser de neodimio-itrio-aluminio-granate (Nd:YAG) se construye combinando una parte por cien de tomos de Nd en un cristal husped de YAG. Este lser emite en el cercano infrarrojo a una

longitud de onda de 1.06 m con potencia continua hasta de casi 250 W y con potencia pulsada tan alta como varios megawatts. El material husped YAG tiene como ventaja una alta conductividad trmica para

eliminar el calor de exceso. En el procesamiento de materiales, el lser de Nd:YAG se usa para soldadura,

perforacin, grabado y corte (tabla 15 . 2).

Lser de dixido de carbono CO2 Los lser de dixido de carbono son algunos de los ms poderosos. Operan principalmente en el infrarrojo medio a 10.6 m. Varan desde unos cuantos miliwatts de potencia continua hasta grandes pulsos con valores tan altos como 10 000 J de energa. Operan por medio de las

colisiones de electrones que excitan a molculas de nitrgeno hasta niveles de energa metaestables que

despus transfieren su energa para excitar a las molculas de CO2, las cuales a su vez emiten radiacin

lser al descender a niveles de energa inferiores. Los lser de dixido de carbono se usan en aplicaciones

de procesamiento de metales tales como corte, soldadura y en el tratamiento trmico localizado de aceros

(tabla 15 . 2).

Lser semiconductores Los lser semiconductores, o de diodo, por lo comn casi del tamao de un grano de sal, son los ms pequeos que se fabrican. Consisten en una unin pn elaborada con un semiconductor

compuesto tal como GaAs, que tiene una brecha de banda suficientemente grande para la accin del lser

(figura 15 . 16). En un principio, el lser de diodo de GaAs se fabric como un lser de homounin con una

sola unin pn.

15.7 FIBRAS PTICAS

Las fibras pticas delgadas como un cabello ( 1.25 m de dimetro) que se elaboran principalmente de vidrio de slice (SiO2), se utilizan en modernos

sistemas de comunicacin por fibras pticas.

15.7.1 Prdidas de luz en fibras pticas

Las fibras pticas que se usan en sistemas de comunicacin deben tener una prdida de luz (atenuacin) extremadamente baja, de manera que la seal

luminosa codificada entrante pueda transmitirse a una distancia larga (esto

es, 40 km [25 mi]) y seguir detectndose de manera satisfactoria. Fibras

pticas de vidrio de prdidas de luz extremadamente bajas, las impurezas

deben ser muy bajas. La prdida de luz (atenuacin) de una fibra ptica de

vidrio suele medirse en decibeles por kilmetro (dB/km).

15.7.2 Fibras pticas unimodo y multimodo

Las fibras pticas para transmisin de luz sirven como guas de onda pticas para dar seales luminosas en las comunicaciones pticas. La retencin de la

luz dentro de la fibra ptica es posible haciendo que la luz atraviese el vidrio

del ncleo central, el cual tiene un ndice de refraccin mayor que el vidrio

del forro exterior. En el tipo unimodo, el cual tiene un dimetro del ncleo de

casi 8 m y un dimetro del forro exterior de aproximadamente 125 m, slo

hay una trayectoria aceptable del rayo luminoso guiado (figura 15 . 18a). En

la fibra de vidrio ptica tipo multimodo, la cual tiene un ncleo de ndice de

refraccin graduado, muchos modos de onda pasan simultneamente a travs

de la fibra, lo que causa una seal existente ms dispersa que la producida

por la fibra unimodo.

15.7.3 Fabricacin de fibras pticas

Uno de los mtodos ms importantes para producir fibras de vidrio pticas para sistemas de comunicacin, es el proceso de depsito qumico modificado en fase vapor

(DQMV) (figura 15 . 19). En este proceso, vapor seco de alta pureza de SiCl4 con

diversas cantidades de GeCl4 y vapor de hidrocarburos fluorinados, pasan a travs

de un tubo de silicio puro en rotacin junto con oxgeno puro. Un soplete de

oxihidrgeno externo se mueve a lo largo del dimetro exterior del tubo rotatorio,

permitiendo que el contenido reaccione para formar partculas de vidrio de slice

impurificadas con las combinaciones adecuadas de germanio y fluorita. El GeO2

aumenta el ndice de refraccin del SiO2, y la fluorita lo reduce. Por abajo de la

regin de la reaccin, las partculas de vidrio emigran hacia la pared del tubo,

donde se depositan. Despus, el soplete mvil que causa la reaccin para formar las

partculas de vidrio, se pasa por encima y las sinteriza en una delgada capa de

vidrio impurificado. El espesor de la capa impurificadadepende del nmero de

capas que se depositan mediante pasos repetidos del soplete.

15.8 MATERIALES SUPERCONDUCTORES

15.8.1 El estado superconductor

La resistividad elctrica de un metal normal como el cobre disminuye de manera uniforme cuando se reduce la temperatura y se alcanza un valor

residual bajo cercano a 0 K (figura 15 . 23). En contraste, cuando la

temperatura disminuye la resistividad elctrica de mercurio puro decrece

repentinamente a 4.2 K hasta un valor inmensurablemente pequeo. Este

fenmeno recibe el nombre de superconductividad, y el material que muestra

este comportamiento se denomina material superconductor. Alrededor de 26

metales son superconductores, as como cientos de aleaciones y compuestos.

La temperatura por debajo de la cual la resistividad elctrica de un material tiende a cero recibe el nombre de temperatura crtica Tc. Arriba de esta

temperatura el material se denomina normal, y debajo de Tc se dice que es

superconductivo o superconductor. Adems de la temperatura, el estado

superconductor depende tambin de muchas otras variables, de las cuales las

ms importantes son el campo magntico B y la densidad de corriente J. De

este modo, para que un material sea superconductor, la temperatura crtica

del material, el campo magntico y la densidad de corriente no deben

excederse, y para cada material superconductor existe una superficie crtica

en el espacio T, B, J.

15.8.2 Propiedades magnticas de superconductores

Si un campo magntico suficientemente intenso se aplica a un superconductor a cualquiertemperatura por debajo de su temperatura crtica Tc, el

superconductor regresar a su estado normal. El campo magntico aplicado

necesario para restaurar la conductividad elctrica normal en el

superconductor se denomina campo crtico Hc.

15.8.3 Flujo de corriente y campos magnticos en superconductores

Los superconductores de tipo I son pobres portadores de corriente

elctrica puesto que sta slo puede fluir en la capa de la superficie exterior

de un espcimen conductor (figura 15 . 27a). La razn de este comportamiento

es que el campo magntico slo puede penetrar la capa superficial, y slo es

posible que la corriente fluya en esta capa. En los superconductores tipo II

debajo de Hc1, los campos magnticos se comportan de la misma manera. Sin

embargo, si el campo magntico est entre Hc1 y Hc2 (estado mixto), la

corriente puede llevarse al interior del superconductor por medio de filamentos