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16 de Octubre de 2020
Superconductividad

Observan por primera vez superconductividad a temperatura ambiente

Los físicos han alcanzado una meta que perseguían desde hace tiempo: un superconductor a temperatura ambiente. La pega es que requiere presiones enormes.

Recreación artística de un imán levitando magnéticamente sobre un superconductor enfriado a temperaturas criogénicas. Ahora, los investigadores han observado por primera vez conductividad a temperatura ambiente (unos 15 grados Celsius), aunque las presiones necesarias son enormes. [ktsimage/iStock]

Un equipo de físicos de Nueva York ha descubierto un material capaz de conducir la electricidad sin pérdidas a temperatura ambiente, un hito científico que perseguían desde hace tiempo. El compuesto, una mezcla de hidrógeno, carbono y azufre, se comporta como un superconductor a temperaturas de hasta unos 15 grados Celsius, según informaron los investigadores el pasado 14 de octubre en Nature. Eso supone unos 28 grados más que el anterior récord de superconductividad a alta temperatura, establecido el año pasado.

«Por primera vez, podemos afirmar que se ha logrado la superconductividad a temperatura ambiente», valora Ion Errea, físico teórico experto en materia condensada de la Universidad del País Vasco, que no participó en el trabajo. «No hay duda de que es un hito», conviene Chris Pickard, científico de materiales de la Universidad de Cambridge. «Estamos hablando de una habitación fría, tal vez una casa victoriana británica», comenta sobre la temperatura de 15 grados.

Aunque los investigadores celebran el logro, subrayan que el compuesto recién descubierto (obra de un equipo liderado por Ranga Dias, de la Universidad de Rochester) nunca dará lugar a tendidos eléctricos sin pérdidas, trenes de alta velocidad sin rozamiento o cualquiera de las tecnologías revolucionarias que podrían generalizarse si fuéramos capaces de mantener el frágil efecto cuántico en que se basa la superconductividad en condiciones realmente ambientales. La razón es que la sustancia solo se comporta como un superconductor a temperatura ambiente mientras es aplastada entre un par de diamantes hasta alcanzar presiones extremas (del 75% de las que se registran en el núcleo de la Tierra).

«La gente lleva toda la vida hablando de la superconductividad a temperatura ambiente», incide Pickard. «Puede que no acabaran de entender que cuando lo lográramos, iba a ser a presiones tan enormes.»

Ahora, los científicos de materiales se enfrentan al reto de descubrir un superconductor que funcione no solo a temperaturas normales, sino también bajo presiones ordinarias. Algunas características del nuevo compuesto hacen albergar esperanzas de que algún día podamos encontrar la mezcla correcta de átomos.

En los cables ordinarios, la resistencia eléctrica se produce cuando los electrones que fluyen libremente chocan con los átomos que componen el metal. Pero en 1911 los investigadores descubrieron que, a bajas temperaturas, los electrones pueden inducir vibraciones en la red atómica de un metal; a su vez, esas vibraciones provocan que los electrones se junten en los llamados pares de Cooper. Estas parejas, gobernadas por reglas cuánticas distintas, fluyen formando un enjambre coherente que atraviesa la red metálica sin impedimentos, sin experimentar resistencia alguna. Ese fluido superconductor también expulsa los campos magnéticos, un efecto que podría servir para desarrollar vehículos que leviten magnéticamente sin fricción sobre raíles superconductores.

Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura de un superconductor, las partículas se agitan al azar y destruyen la delicada danza de los electrones.

Los investigadores llevan décadas buscando un superconductor cuyos pares de Cooper se unan de manera tan intensa como para soportar el calor de los entornos cotidianos. En 1968, Neil Ashcroft, físico del estado sólido de la Universidad Cornell, propuso que la clave podría residir en usar un entramado de átomos de hidrógeno. El diminuto tamaño del hidrógeno permite que los electrones se acerquen más a los nodos de la red, y eso aumenta sus interacciones con las vibraciones. La ligereza del hidrógeno también permite que dichas vibraciones sea más rápidas, lo que refuerza aún más el pegamento que une los pares de Cooper.

Pero se necesitan presiones inmensas para lograr que el hidrógeno forme una red metálica. Aun así, el trabajo de Ashcroft generó esperanzas de que algún hidruro (una mezcla de hidrógeno y un segundo elemento) permitiera observar la superconductividad del hidrógeno metálico a presiones más accesibles.

Los avances comenzaron a llegar en la década de 2000, cuando las simulaciones con superordenadores permitieron a los teóricos predecir las propiedades de varios hidruros, y el uso generalizado de yunques de diamante permitió a los experimentales someter a los candidatos más prometedores a grandes presiones para ponerlos a prueba.

De repente, los hidruros comenzaron a establecer récords. En 2015, un equipo en Alemania mostró que una forma metálica de sulfuro de hidrógeno (un compuesto acre que se encuentra en los huevos podridos) se comporta como un superconductor a -70 grados Celsius, bajo una presión 1,5 millones de veces mayor que la atmosférica. Cuatro años después, el mismo laboratorio empleó hidruro de lantano para alcanzar -23 grados a 1,8 millones de atmósferas, e incluso otro grupo halló indicios de superconductividad en el mismo compuesto a -13 grados.

El laboratorio de Dias en Rochester ya ha batido esos registros. Guiados por la intuición y cálculos aproximados, el equipo probó un abanico de compuestos de hidrógeno, buscando la proporción justa de este elemento. Si se añade muy poco hidrógeno, el compuesto no será un superconductor tan robusto como el hidrógeno metálico. Si se añade más de la cuenta, la muestra se parecerá demasiado al hidrógeno metálico y requerirá presiones capaces de fracturar el yunque de diamante para formar una red metálica. Cada pareja de diamantes vale unos 3000 dólares, y el equipo destrozó muchas decenas de ellas en el transcurso de su investigación. «Ese es nuestro mayor problema, el presupuesto para diamantes», lamenta Dias.

La receta ganadora surgió como una improvisación sobre la fórmula de 2015. Los investigadores empezaron con sulfuro de hidrógeno, añadieron metano (un compuesto de carbono e hidrógeno), y calentaron la mezcla con un láser.

«Logramos enriquecer el sistema e introducir la cantidad justa de hidrógeno para conservar los pares de Cooper a temperaturas muy altas», explica Ashkan Salamat, físico de la materia condensada en la Universidad de Nevada en Las Vegas y colaborador de Dias.

Pero a los investigadores se les escapan los detalles sutiles de la poción de hidrógeno, carbono y azufre que han preparado. El hidrógeno es demasiado pequeño para los métodos tradicionales que exploran la estructura de la red, por lo que el grupo no sabe cómo están dispuestos los átomos, y ni siquiera conoce la fórmula química exacta de la sustancia.

Eva Zurek, química computacional de la Universidad de Búfalo, forma parte de un grupo de teóricos que mantiene un vínculo lejano con el laboratorio de Dias. A principios de este año, predijeron las condiciones en las que debería superconducir un metal que se hubiera formado entre los yunques de diamante, y encontraron un comportamiento diferente. Zurek sospecha que las altas presiones transformaron la sustancia de Dias en una forma desconocida, con una superconductividad especialmente robusta.

Una vez que el grupo de Dias logre averiguar qué es exactamente lo que tienen entre manos (detalles que, según Dias y Salamat, llegarán pronto), los teóricos construirán modelos para explorar las características que le confieren a esta mezcla de hidrógeno, carbono y azufre su poder superconductor, con la esperanza de seguir modificando la receta.

Los físicos han demostrado que la mayoría de los híbridos de hidrógeno con otro elemento constituyen un callejón sin salida, pero la nueva mezcla de tres elementos podría suponer un avance significativo en el mundo de los materiales compuestos complejos. A algunos expertos, uno de los elementos implicados les parece especialmente prometedor.

«Lo que me gusta de este trabajo, es que incorporan carbono al sistema», afirma Mikhail Eremets, científico experimental del Instituto Max Planck de Química de Alemania, cuyo laboratorio estableció los récords de 2015 y 2019 con hidruros. Eremets explica que la ligereza del hidrógeno no es la única manera de reforzar las vibraciones que llevan a los electrones a formar pares de Cooper. Tener enlaces más intensos entre los átomos adyacentes de la red también ayuda, y «el carbono establece enlaces covalentes muy fuertes». Los materiales con carbono podrían tener otro beneficio añadido: evitar que todo el conjunto se desmorone a las bajas presiones que los seres humanos encontramos cómodas.

Zurek está de acuerdo. «Pensaba que alcanzar la presión ambiente supondría un gran reto», concluye. «Pero si podemos añadir compuestos de carbono a la mezcla, eso nos enseña un posible camino.»

Charlie Wood/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride», Elliot Snider et al. en Nature, vol. 586, págs. 373-377, 14 de octubre de 2020.

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