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El récord de superconductividad a alta temperatura se ha vuelto a batir
La superconductividad es el extraño fenómeno de resistencia eléctrica cero que ocurre cuando algunos materiales se enfrían por debajo de una temperatura crítica. Los mejores superconductores deben enfriarse con helio líquido o nitrógeno para que se enfríen lo suficiente (a menudo hasta -250 °C o -480 F) para funcionar. El santo grial para los investigadores es la idea de que un material podría convertirse en superconductor a alrededor de 0 °C, la llamada superconductividad a temperatura ambiente. Si alguna vez se descubriera tal cosa, desencadenaría una amplia gama de nuevas tecnologías, incluidas computadoras súper rápidas y transferencia de datos.
La historia de la superconductividad está plagada de dudosas afirmaciones de actividad a alta temperatura que luego resultan imposibles de reproducir. De hecho, los físicos tienen un nombre para esto: USO u objetos superconductores no identificados.
Por lo tanto, las nuevas afirmaciones de superconductividad a alta temperatura deben tratarse con precaución. Dicho esto, vale la pena analizar con más detalle la noticia de hoy de que se ha batido el récord de superconductividad a alta temperatura.
El trabajo proviene del laboratorio de Mikhail Eremets y sus colegas del Instituto Max Planck de Química en Mainz, Alemania. Eremets y sus colegas dicen que han observado hidruro de lantano (LaH10) superconductor a la temperatura sofocante de 250 K, o -23 °C.
Eso es más cálido que la temperatura actual en el Polo Norte. Nuestro estudio da un salto adelante en el camino hacia la superconductividad a temperatura ambiente, dice el equipo. (La advertencia es que la muestra debe estar bajo una gran presión: 170 gigapascales, o aproximadamente la mitad de la presión en el centro de la Tierra).
Eremets tiene un pedigrí bastante impresionante en este campo. Lectores veteranos de este blog. recordará cuando rompió el récord anterior de superconductividad a alta temperatura en 2014 . En esa ocasión, su equipo pudo medir la actividad superconductora en sulfuro de hidrógeno a –80 °C, unos 10 grados más caliente que cualquier otro material. Más tarde lo elevó a –70 °C y publicó el trabajo en Nature con gran éxito.
Pero la sorpresa asombrosa para los físicos fue la naturaleza del material superconductor.
La superconductividad se entiende bien en los superconductores convencionales, que son redes rígidas de iones positivos bañados 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 se produce cuando la red se enfría hasta un punto en el que se vuelve lo suficientemente rígida para que las ondas sonoras mecánicas, o fonones, la atraviesen. Estas ondas deforman la red a medida que viajan. Y los electrones pueden surfear en 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 navegando a través de la red lo que constituye la superconductividad.
A medida que aumenta la temperatura, los pares de Cooper se separan y la superconductividad se detiene. Este cambio se produce a lo que se denomina temperatura crítica.
Antes de 2014, la temperatura crítica más alta para este tipo de superconductividad era de unos 40 K o –230 °C. De hecho, muchos físicos pensaron que era imposible que este tipo de superconductividad funcionara a temperaturas más altas.
Es por eso que el anuncio de Eremets fue tan extraordinario: el sulfuro de hidrógeno es un superconductor convencional que se comporta de una manera que mucha gente creía imposible.
(En 1986, los físicos descubrieron una forma completamente diferente de superconductividad en materiales cerámicos a 180 K o -90 °C. Esto todavía no se entiende bien y se ha avanzado poco en el aumento de la temperatura).
El descubrimiento de Eremets desencadenó una febril actividad teórica para explicar cómo se produce la superconductividad. El consenso es que en el sulfuro de hidrógeno, los iones de hidrógeno forman una red que transporta pares de Cooper sin resistencia cuando la temperatura cae por debajo de un nivel crítico.
Esto puede suceder a alta temperatura porque el hidrógeno es muy ligero. Eso significa que la red puede vibrar a alta velocidad y, por lo tanto, a alta temperatura. Pero el enrejado también debe mantenerse firmemente en su lugar, para evitar que las vibraciones lo desgarren. Es por eso que la superconductividad solo funciona a alta presión.
Desde entonces, ha habido un trabajo teórico y computacional considerable para predecir otros materiales que podrían ser superconductores de esta manera a altas temperaturas. Uno de los posibles candidatos ha sido el hidruro de lantano, en el que han estado trabajando Eremets y compañía.
El descubrimiento de que es superconductor a 250 K es una victoria no solo para Eremets y su equipo, sino también para los métodos teóricos que lo predijeron. Este salto, de ~ 50 K, desde el récord anterior de 203 K indica la posibilidad real de lograr superconductividad a temperatura ambiente (es decir, a 273 K) en un futuro cercano a altas presiones, dicen Eremets y compañía.
Sin embargo, todavía queda algo de trabajo por delante. Los físicos requieren tres pruebas separadas para estar convencidos de que realmente se está produciendo superconductividad. El primero es la caída característica de la resistencia a medida que desciende la temperatura. Eremets tiene esto.
El segundo consiste en reemplazar los elementos de la muestra con isótopos más pesados. Esto hace que la red vibre a un ritmo diferente y cambia la temperatura crítica en consecuencia. Eremets y compañía también tienen esta evidencia, ya que reemplazaron el hidrógeno en sus muestras con deuterio y vieron caer la temperatura crítica a 168 K, tal como se esperaba.
La tercera línea de evidencia se llama efecto Meissner: un superconductor debería expulsar cualquier campo magnético. Es aquí donde Eremets y compañía han luchado. Sus muestras son tan pequeñas (solo unos pocos micrómetros de ancho y se encuentran dentro de celdas de yunque de diamante de alta presión) que los investigadores aún no han podido medir esto directamente, aunque tienen alguna otra evidencia magnética.
Sin esta firma final, los físicos pueden negarse a aceptarlo por completo. Pero seguramente es algo que el equipo está trabajando duro para producir.
Mientras tanto, el trabajo abre algunas otras vías obvias para seguir. Los modelos computacionales sugieren que los superhidruros de itrio podrían ser superconductores a temperaturas superiores a 300 K, temperatura ambiente real (aunque solo a presiones que se encuentran más comúnmente en el centro de la Tierra).
Por lo tanto, los superconductores a temperatura ambiente de una forma u otra pueden no estar muy lejos. La pregunta entonces será cuál es la mejor manera de explotarlos.
Ref: arxiv.org/abs/1812.01561 : Superconductividad a 250 K en hidruro de lantano bajo altas presiones