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Cómo los metamateriales podrían ser la clave para la superconductividad de alta temperatura
Los metamateriales son una de las maravillas de la física moderna. Fabricados con patrones repetidos en 3D de componentes electrónicos, como condensadores y resistencias, los metamateriales interactúan con las ondas de luz, dirigiéndolas de formas que son imposibles con las cosas ordinarias. El resultado: más capas de invisibilidad de las que puedes imaginar.
Pero no hay magia en funcionamiento. La teoría general que explica esto se conoce como óptica de transformación. Y las matemáticas detrás de esto son formalmente análogas a las ecuaciones que describen cómo la masa deforma el espacio-tiempo para generar gravedad. Es por eso que los físicos han podido usar un metamaterial para simular la forma en que un agujero negro atrapa la luz.
Ahora, Igor Smolyaninov y Vera Smolyaninova de la Universidad de Maryland en College Park dicen que los metamateriales pueden estar formalmente vinculados a otra área de la física: la superconductividad. En particular, dicen que los superconductores pueden ser una forma especial de metamaterial que dirigen los electrones en lugar de la luz. Eso plantea la tentadora posibilidad de que el secreto de la superconductividad de alta temperatura pueda residir en el desarrollo de una nueva generación de metamateriales que exploten aún más esta idea.
Primero, algunos antecedentes. La superconductividad es el fenómeno de resistencia cero en materiales enfriados por debajo de una temperatura crítica. Los superconductores también expulsan campos magnéticos, un fenómeno conocido como efecto Meissner.
Durante muchos años después del descubrimiento de la superconductividad en 1911, los físicos estaban desconcertados acerca de cómo surgió. Luego, en 1957, John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer resolvieron el problema utilizando lo que ahora se conoce como teoría BCS.
Su idea es que a bajas temperaturas, los electrones se duplican para formar pares de Cooper que viajan juntos a través de la red del material. Lo hacen con resistencia cero intercambiando fonones (partículas cuánticas de vibración) con la red.
En efecto, los pares de cobre son arrastrados a través de la red por estos fonones, que despejan el camino de obstrucciones, como otros electrones. Por eso no hay resistencia.
Esta capacidad para dirigir electrones puede sonar familiar. De hecho, Smolyaninov y Smolyaninova dicen que los superconductores de alta temperatura como los BSCCO (óxidos de bismuto, estroncio, calcio y cobre que se superconducen a más de 100 K) tienen una similitud formal con los metamateriales que los físicos ya han construido para dirigir la luz.
Eso es porque consisten en capas de átomos con propiedades metálicas intercaladas con capas de átomos que tienen propiedades dieléctricas (ver diagrama). En efecto, son los últimos metamateriales construidos a escala atómica.
Eso plantea la fascinante perspectiva de que los físicos algún día podrían diseñar sus propios metamateriales superconductores. Y con una mejor comprensión de cómo estas capas dirigen exactamente los electrones con resistencia cero, incluso podría ser posible fabricar materiales que se superconduzcan a temperaturas más altas de lo que es posible en la actualidad. Argumentamos que el enfoque de metamaterial para la ingeniería de respuesta dieléctrica puede aumentar considerablemente la temperatura crítica de un metamaterial compuesto superconductor-dieléctrico, dicen.
¿Escuchamos la temperatura ambiente? Quizás todavía no. Esta es solo una idea en la actualidad y hay numerosos desafíos importantes por delante. La primera es encontrar una manera de diseñar un metamaterial superconductor y predecir sus propiedades superconductoras. Después vendría el importante desafío de sintetizarlo.
Ambas hazañas parecen estar lejanas. Sin embargo, la ciencia de los metamateriales ha evolucionado rápidamente. En apenas diez años, ha pasado de la ficción de libros de fantasía a la construcción de capas de invisibilidad, agujeros negros artificiales e incluso universos sintéticos.
Es por eso que solo un tonto apostaría a que la superconductividad sea la siguiente muesca en el poste de la cama de metamaterial.
Ref: arxiv.org/abs/1311.3277 : ¿Existe una ruta de metamaterial hacia la superconductividad de alta temperatura?