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1 de Diciembre de 2019
Física

El material soñado

¿Podrán los nuevos avances teóricos y computacionales conducir al esquivo superconductor a temperatura ambiente?

Los diamantes de una celda de yunque comprimen los materiales a presiones extremas para crear superconductores. [SPENCER LOWELL]

En síntesis

Los científicos sueñan con crear un superconductor (un material que conduce la electricidad sin resistencia) que pueda operar a temperatura ambiente. Hasta el momento todos requieren temperaturas bajas y, en algunos casos, presiones elevadas.

El descubrimiento de nuevos materiales superconductores tradicionalmente ha llegado por ensayo y error. Pero ahora también es posible predecirlos mediante modelos teóricos que emplean técnicas como el aprendizaje automático.

Combinando avances teóricos y destreza experimental, los físicos esperan descubrir superconductores más útiles y que puedan ampliar el alcance de las energías renovables, mejorar las redes eléctricas o diseñar baterías que nunca pierdan su carga.

A Maddury Somayazulu, físico experimental conocido como Zulu, solo le cabía esperar que bastara con estar cerca. En una sala atestada de instrumentos del Laboratorio Nacional Argonne, en EE.UU., trabajaba con el investigador posdoctoral Zachary Geballe sobre un aparato cilíndrico del tamaño de una ciruela llamado celda de yunque de diamante. Su interior contenía una pequeña mota de lantano, un metal del grupo de las tierras raras, y un poco de hidrógeno gaseoso. Según los teóricos, estos ingredientes podrían formar un nuevo compuesto a una presión de 2,1 millones de atmósferas, más de la mitad de la que existe en el centro de la Tierra. Pero lo más relevante en ese día de junio de 2017 era que esa presión estaba cerca del límite que podía alcanzar la celda de yunque al comprimir la muestra entre sus dos diamantes, uno de los materiales más duros de la naturaleza. Cuando los científicos apretaron los tornillos para llegar a 1,7 millones de atmósferas, notaron que el aparato oponía resistencia. Los diamantes, ya deformados, podían romperse. «Vale, ya está. No podemos aumentar más la presión», dijo Somayazulu. «Intentemos sintetizarlo y veamos qué pasa.»

Habían rodeado la celda de yunque con una especie de comando de alta tecnología: dos largos tubos para bombardear la muestra con rayos X, un sistema de lentes y espejos para irradiarla con un láser y una cámara para grabar el ataque. La esperanza era que, al activarlo, el láser catalizara la reacción entre el lantano y el hidrógeno. Fuera de la sala, tras una puerta metálica que les protegía de los rayos X, los científicos observaban una pantalla con un gráfico que mostraba la estructura microscópica de la mezcla vista a través de los rayosX. El gráfico pronto tomó la forma deseada: habían conseguido producir hidruro de lantano (LaH10). «Nos sorprendió», reconoce Somayazulu. «Ni siquiera tuvimos que calentar mucho la muestra para formar el compuesto.» No se trataba de un compuesto cualquiera.

La teoría y las simulaciones numéricas indicaban que el LaH10 podía ser un superconductor, un material capaz de conducir la electricidad sin las pérdidas de energía que sufren los cables convencionales. Eso permite concentrar una cantidad prodigiosa de corriente en un espacio pequeño y hacer que circule eternamente. Y lo que es mejor: se suponía que el LaH10 podía exhibir ese extraordinario comportamiento a 7 grados Celsius (280 kelvin), una temperatura mucho mayor que la que requieren los superconductores conocidos y fascinantemente cercana al objetivo de la temperatura ambiente. Las bajas temperaturas a las que operan los superconductores existentes han limitado su uso a ámbitos muy especializados, como los aparatos de imagen por resonancia magnética o los aceleradores de partículas. Pero un material superconductor a temperatura ambiente podría emplearse para muchos otros fines, como transportar energía solar y eólica a grandes distancias o incrementar la capacidad de las saturadas redes eléctricas, así como en incontables aplicaciones en informática y medicina.

El análisis de rayos X realizado por Somayazulu y Geballe indicaba que el LaH10 producido tenía exactamente la estructura microscópica predicha por los teóricos. «Eso nos impactó», me aseguraba Somayazulu durante una reciente visita a Argonne, laboratorio donde trabaja desde el pasado mayo. Cuando él y sus colegas sintetizaron el LaH10, todavía trabajaba en la Institución Carnegie para la Ciencia, en Washington. Su jefe de entonces, Russell Hemley, se refiere al LaH10 como «un bello ejemplo de material de diseño». Hemley lideró el equipo que generó el compuesto, así como el grupo teórico que predijo su existencia y propiedades. «Primero creamos el material en un ordenador y un cálculo nos dijo dónde buscarlo», explica.

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