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Tecnología y Sociedad

La superconductividad a alta temperatura bate su récord a -23 °C

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Hasta hace poco se creía imposible que algún material fuera capaz de convertirse en superconductor a temperaturas habituales en la Tierra, pero parece que el hidruro de lantano lo ha conseguido, aunque para ello requiere estar sometido a una presión elevadísima

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Ana Milutinovic
  • 21 Diciembre, 2018

La superconductividad un extraño fenómeno físico en el que, cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica, algunos materiales son capaces conducir corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía. Los mejores superconductores se tienen que enfriar con helio líquido o nitrógeno para estar lo suficientemente fríos como para funcionar, a menudo a temperaturas de -250 °C. Para los investigadores sería maravilloso poder fabricar un material con propiedades superconductoras a aproximadamente 0 °C, lo que se denomina superconductividad a temperatura ambiente. Si algo así se descubriera, activaría una amplia gama de nuevas tecnologías, incluidos los ordenadores ultrarrápidos y transferencia de datos de altísima velocidad.

La historia de la superconductividad está llena de dudosas afirmaciones a altas temperaturas que luego resultan imposibles de reproducir. De hecho, los físicos tienen un nombre para esto: USO (por sus siglas en inglés) u objetos superconductores no identificados (OSNI, una referencia a los propios OVNI).

Por lo tanto, los nuevos reclamos de la superconductividad a altas temperaturas deben tratarse con precaución. Dicho esto, vale la pena ver con más detalle la reciente noticia de que el actual récord de superconductividad de altas temperaturas acaba de ser batido.

El trabajo viene del laboratorio del científico del Instituto Max Planck de Química en Mainz (Alemania) Mikhail Eremets y sus colegas. El equipo asegura que ha observado al hidruro de lantano (LaH 10) actuando como superconductor a una temperatura de -23 °C.

Esa temperatura más elevada que la que hay actualmente en el Polo Norte. La investigación afirma: "Nuestro estudio da un salto adelante en el camino hacia la superconductividad a temperatura ambiente". Aunque también advierte que la muestra debe estar bajo una gran presión: 170 gigapascales, o aproximadamente la mitad de la presión que hay en el centro de la Tierra.

Eremets tiene un historial bastante impresionante en este campo. Los lectores interesados en el tema recordarán cuando batió el récord anterior de superconductividad de alta temperatura en 2014. En esa ocasión, su equipo pudo medir la actividad superconductora en sulfuro de hidrógeno a -80 °C, unos 10 °C  por encima que cualquier otro material hasta la fecha. Más tarde lo elevó a -70 °C y publicó su trabajo en Nature logrando un gran éxito.

Pero la enorme sorpresa para los físicos fue la naturaleza del material superconductor. La superconductividad se entiende bien con los superconductores convencionales, que son redes rígidas de iones positivos en un océano de electrones. La resistencia eléctrica se produce cuando los electrones que se mueven a través de la red se ralentizan al chocar contra ella, mientras que la superconductividad ocurre cuando la red se enfría hasta un punto en el que se vuelve lo suficientemente rígida como para que las ondas mecánicas de sonido, o fonones, se propaguen. Estas ondas deforman la red a medida que se mueven. Y los electrones pueden "surfear" sobre esta deformación.

De hecho, a baja temperatura, los electrones se unen entre sí para formar los llamados pares de Cooper. Y son estos pares de Cooper que navegan a través de la red los que forman la superconductividad. A medida que aumenta la temperatura, los pares de Cooper se separan y la superconductividad se detiene. Este cambio se produce en lo que se llama la "temperatura crítica".

Antes de 2014, la temperatura crítica más alta para este tipo de superconductividad era de aproximadamente -230 °C. De hecho, muchos físicos pensaron que era imposible que este tipo de superconductividad funcionara a temperaturas más altas. Es por eso que la investigación de Eremets fue tan extraordinaria: el sulfuro de hidrógeno es un superconductor convencional que se comporta de una manera que muchas personas creían imposible.

En 1986, los físicos descubrieron una forma totalmente diferente de superconductividad en materiales cerámicos a -90 °C. Pero es un fenómeno que aún no se comprende bien y se ha avanzado poco en el aumento de la temperatura.

El descubrimiento de Eremets provocó un agitado periodo de actividad teórica para explicar cómo se produce la superconductividad. Existe el consenso en que en el sulfuro de hidrógeno, los iones de hidrógeno forman una red que transporta los pares de Cooper con resistencia cero cuando la temperatura cae por debajo de un nivel crítico.

Esto puede suceder a altas temperaturas porque el hidrógeno es muy ligero. Lo que significa que la red puede vibrar a alta velocidad y, por lo tanto, a alta temperatura. Pero la red también debe mantenerse firmemente en su lugar para evitar que las vibraciones la rompan. Es por eso que la superconductividad solo funciona a alta presión.

Desde entonces, se han hecho muchos esfuerzos teóricos e informáticos para encontrar otros materiales superconductores a altas temperaturas. Uno de los posibles candidatos ha sido el hidruro de lantano, en el que Eremets y sus colegas han estado trabajando.

El descubrimiento de que este material alcanza la superconductividad ocurre a -23 °C es un logro no solo para Eremets y su equipo, sino también para los métodos teóricos que lo predijeron. "Este salto frente al registro anterior indica la posibilidad real de alcanzar en un futuro cercano la superconductividad a temperatura ambiente a altas presiones", sostienen Eremets y compañía.

No obstante, todavía queda trabajo por delante. Los físicos requieren tres pruebas independientes para asegurarse del resultado. La primera es la característica caída de la resistencia a medida que baja la temperatura. Eremets la tiene. La segunda consiste en reemplazar los elementos de la muestra con isótopos más pesados. Esto hace que la red vibre a una velocidad diferente y por ende cambia la temperatura crítica. Eremets y sus compañeros también tienen esta prueba, ya que reemplazaron el hidrógeno en sus muestras con deuterio y vieron que la temperatura crítica bajó a -105 °C, tal como se esperaba.

La tercera prueba se llama efecto Meissner que consiste en que un superconductor debe repeler cualquier campo magnético. Es aquí donde Eremets y sus compañeros han tenido dificultades. Sus muestras son tan pequeñas (solo de unos pocos micrómetros de diámetro y ubicadas dentro de células de anclaje de diamante de alta presión) que los investigadores aún no han podido medirlo directamente, aunque sí tienen otras pruebas magnéticas.

Sin esta comprobación final, los físicos pueden negar su plena aceptación. Pero es algo en lo que el equipo seguramente está trabajando duro. Mientras tanto, el trabajo abre otras vías obvias para seguir. Los modelos informáticos sugieren que los superhidruros de itrio podrían actuar como superconductores a temperaturas superiores a 26 °C, la temperatura ambiente real (aunque solo a las presiones típicas del centro de la Tierra).

Por lo tanto, de una forma u otra, los superconductores a temperatura ambiente podrían no estar muy lejos. La pregunta entonces será qué uso darles.

Ref: arxiv.org/abs/1812.01561: Superconductivity at 250 K in Lanthanum Hydride under High Pressures

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