El superconductor que funciona a temperatura terrestre

El mundo de la superconductividad está alborotado. El año pasado, Mikhail Eremets y un par de amigos del Instituto Max Planck de Química en Mainz, Alemania, hicieron la extraordinaria afirmación de que habían visto superconductores de sulfuro de hidrógeno a -70 °C. Eso es unos 20 grados más caliente que cualquier otro material, un gran aumento con respecto al récord actual.

Los seguidores de este blog He leído sobre este trabajo en diciembre pasado. , cuando se publicó por primera vez en arXiv. En ese momento, los físicos se mostraron cautelosos con el trabajo. La historia de la superconductividad está plagada de dudosas afirmaciones de actividad a alta temperatura que luego resultan imposibles de reproducir.

Pero en los meses transcurridos desde entonces, Eremets y compañía han trabajado arduamente para evocar las piezas finales de evidencia concluyente. Hace unas semanas, su artículo finalmente se publicó en la revista revisada por pares. Naturaleza , dándole el sello de goma de respetabilidad que requiere la física convencional. De repente, la superconductividad vuelve a estar en los titulares.

Hoy, Antonio Bianconi y Thomas Jarlborg del Centro Internacional de Roma para la Ciencia de los Materiales Superstripes en Italia brindan una revisión de este apasionante campo. Estos muchachos brindan una descripción general del descubrimiento de Eremet y compañía y un tratamiento del trabajo teórico que intenta explicarlo.

Primero, algunos antecedentes. La superconductividad es el fenómeno de resistencia eléctrica cero que ocurre en algunos materiales cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica.

Este fenómeno se comprende bien en los superconductores convencionales, que son esencialmente redes rígidas de iones positivos bañados en un mar de electrones. La resistencia eléctrica se produce porque los electrones chocan contra esta red y pierden energía a medida que se mueven a través de ella.

Sin embargo, a bajas temperaturas, los electrones pueden unirse entre sí para formar pares de Cooper. Al mismo tiempo, la red se vuelve lo suficientemente rígida para permitir el movimiento coherente de ondas llamadas fonones.

La superconductividad ocurre cuando los pares de Cooper y los fonones viajan juntos a través del material, las ondas esencialmente despejan el camino para los pares de electrones. Y se descompone cuando las vibraciones en la red (su temperatura) se vuelven lo suficientemente fuertes como para romper los pares de Cooper. Esa es la temperatura crítica.

Hasta hace poco, la temperatura crítica más alta de este tipo era de unos 40 kelvin o -230 centígrados.

Hay esencialmente tres características que los físicos buscan como prueba de que un material es superconductor. El primero es una caída repentina de la resistencia eléctrica cuando el material se enfría por debajo de esta temperatura crítica. El segundo es la expulsión de campos magnéticos del interior del material, fenómeno conocido como efecto Meissner.

El tercero es un cambio en la temperatura crítica cuando los átomos en el material son reemplazados por isótopos. Eso se debe a que la diferencia en la masa de los isótopos hace que la red vibre de manera diferente, lo que cambia la temperatura crítica.

Pero hay otro tipo de superconductividad que se comprende mucho menos. Esto involucra ciertas sustancias cerámicas descubiertas en la década de 1980 que son superconductoras hasta temperaturas de aproximadamente -110 centígrados. Nadie entiende realmente cómo funciona esto, pero gran parte de la investigación en la comunidad de superconductividad se ha centrado en estos materiales exóticos.

Es probable que el trabajo de Eremet y compañía cambie eso. Quizás la mayor sorpresa de su avance es que no involucra un superconductor de alta temperatura. En cambio, el sulfuro de hidrógeno es un superconductor ordinario del tipo que nunca se había visto trabajando a temperaturas superiores a los 40 Kelvin.

Eremet y compañía lograron su truco apretando el material al tipo de presiones que existen solo en el centro de la tierra. Al mismo tiempo, han logrado encontrar evidencia de todas las características importantes de la superconductividad.

Si bien todo este trabajo experimental ha estado en curso, los teóricos se rascan la cabeza sobre cómo explicarlo. Muchos físicos creían que había alguna razón teórica por la que los superconductores convencionales no pueden funcionar por encima de los 40 Kelvin. Pero en realidad no hay nada en la teoría que impida la superconductividad a temperaturas más altas.

De hecho, en la década de 1960, el físico británico Neil Ashcroft predijo que el hidrógeno debería ser capaz de superconducir a altas temperaturas y presiones, tal vez incluso a temperatura ambiente. Su idea era que el hidrógeno es tan ligero que debería formar una red capaz de vibrar a muy altas frecuencias y, por tanto, de superconducir a altas temperaturas y presiones.

El descubrimiento de Eremet y compañía parece ser una reivindicación de esta idea. O al menos, algo parecido. Hay numerosos pliegues teóricos que deben resolverse antes de que los físicos puedan decir que tienen una comprensión adecuada de lo que está sucediendo. Este trabajo teórico está en curso.

Ahora comienza la carrera para encontrar otros superconductores que funcionen a temperaturas aún más altas. Un candidato prometedor es el H3S (a diferencia del H2S en el que trabajó inicialmente Eremet).

Y, por supuesto, los físicos están empezando a pensar en aplicaciones. Existen numerosos desafíos en la explotación de este material, sobre todo porque existe en forma superconductora solo en muestras diminutas dentro de yunques de alta presión.

Pero eso no ha impedido que la gente especule. Este descubrimiento es relevante no solo en la ciencia de los materiales y la materia condensada, sino también en otros campos que van desde la computación cuántica hasta la física cuántica de la materia viva, dicen Bianconi y Jarlborg. También señalan que este superconductor funciona a una temperatura 19 grados más alta que la temperatura más fría jamás registrada en la Tierra.

Eso hace que este sea un campo emocionante en el que estar y es probable que escuchemos mucho más en los próximos meses y años.

Ref: arxiv.org/abs/1510.05264 : Superconductividad por encima de la temperatura terrestre más baja en hidruro de azufre presurizado

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