La superconductividad a temperatura ambiente se ha logrado por primera vez

El equipo utilizado para crear un superconductor a temperatura ambiente, incluida una celda de yunque de diamante (caja azul) y conjuntos de láser, se muestra en el laboratorio de Ranga Dias de la Universidad de Rochester. Adán ventana

Los superconductores a temperatura ambiente, materiales que conducen la electricidad con resistencia cero sin necesidad de refrigeración especial, son el tipo de milagro tecnológico que revolucionaría la vida cotidiana. Podrían revolucionar la red eléctrica y permitir la levitación de trenes, entre muchas otras aplicaciones potenciales. Pero hasta ahora, los superconductores tenían que enfriarse a temperaturas extremadamente bajas, lo que los restringía para usarlos como una tecnología de nicho (aunque importante). Durante décadas parecía que la superconductividad a temperatura ambiente podría estar para siempre fuera de alcance , pero en los últimos cinco años algunos grupos de investigación de todo el mundo se han embarcado en una carrera para lograrlo en el laboratorio.

Uno de ellos acaba de ganar.

en un artículo publicado hoy en Nature , los investigadores informan haber logrado superconductividad a temperatura ambiente en un compuesto que contiene hidrógeno, azufre y carbono a temperaturas de hasta 58 °F (13,3 °C o 287,7 K). La temperatura más alta anterior había sido de 260 K, u 8 °F, alcanzada por un grupo rival en la Universidad George Washington y la Institución Carnegie en Washington, DC, en 2018. (Otro grupo en el Instituto Max Planck de Química en Mainz, Alemania, alcanzó 250 K, o -9,7 °F, aproximadamente al mismo tiempo). Al igual que los récords anteriores, el nuevo récord se logró bajo presiones extremadamente altas, aproximadamente dos millones y medio de veces mayor que la del aire que respiramos.

Es un hito, dice José Flores-Livas, físico computacional de la Universidad Sapienza de Roma, que crea modelos que explican la superconductividad a alta temperatura y no participó directamente en el trabajo. En un par de años, dice, pasamos de 200 [K] a 250 y ahora a 290. Estoy bastante seguro de que llegaremos a 300.

Las corrientes eléctricas son cargas eléctricas que fluyen, generalmente compuestas de electrones. Los conductores, como los cables de cobre, tienen muchos electrones sueltos. Cuando se aplica un campo eléctrico, esos electrones fluyen con relativa libertad. Pero incluso los buenos conductores como el cobre tienen resistencia: se calientan cuando transportan electricidad.

La superconductividad, en la que los electrones fluyen a través de un material sin resistencia, parece imposible a primera vista. Es como si uno pudiera conducir a gran velocidad por el centro de una ciudad congestionada, sin llegar nunca a un semáforo. Pero en 1911, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes descubrió que el mercurio se convierte en un superconductor cuando se enfría a unos pocos grados por encima del cero absoluto (alrededor de -460 °F o -273 °C). Pronto observó el fenómeno en otros metales como el estaño y el plomo.

Durante muchas décadas después, la superconductividad se creó solo a temperaturas extremadamente bajas. Luego, a fines de 1986 y principios de 1987, un grupo de investigadores del laboratorio de Zúrich de IBM descubrió que ciertos óxidos cerámicos pueden ser superconductores a temperaturas tan altas como 92 K, lo que es crucial, por encima de la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido, que es de 77 K. Esto transformó el estudio de la superconductividad y sus aplicaciones en cosas como resonancias magnéticas de hospitales, porque el nitrógeno líquido es barato y fácil de manejar. (El helio líquido, aunque más frío, es mucho más quisquilloso y caro .) El gran salto en la década de 1980 llevó a la especulación febril de que la superconductividad a temperatura ambiente podría ser posible. Pero ese sueño había resultado difícil de alcanzar hasta la investigación que se informa hoy.

Bajo presión

Una forma en que funcionan los superconductores es cuando los electrones que fluyen a través de ellos están acoplados a fonones, vibraciones en la red de átomos de la que está hecho el material. El hecho de que los dos estén sincronizados, creen los teóricos, permite que los electrones fluyan sin resistencia. Las bajas temperaturas pueden crear las circunstancias para que tales pares se formen en una amplia variedad de materiales. En 1968, Neil Ashcroft, de la Universidad de Cornell, planteó que bajo altas presiones, el hidrógeno también sería un superconductor . Al obligar a los átomos a empaquetarse muy juntos, las altas presiones cambian la forma en que se comportan los electrones y, en algunas circunstancias, permiten que se formen pares de electrones y fonones.

Durante décadas, los científicos han buscado comprender cuáles son esas circunstancias y descubrir qué otros elementos podrían mezclarse con el hidrógeno para lograr la superconductividad a temperaturas cada vez más altas y presiones más bajas.

En el trabajo informado en el artículo de hoy, los investigadores de la Universidad de Rochester y sus colegas primero mezclaron carbono y azufre en una proporción de uno a uno, molieron la mezcla hasta obtener pequeñas bolas y luego apretaron esas bolas entre dos diamantes mientras inyectaban gas hidrógeno. . Se hizo brillar un láser en el compuesto durante varias horas para romper los enlaces entre los átomos de azufre, cambiando así la química del sistema y el comportamiento de los electrones en la muestra. El cristal resultante no es estable a bajas presiones, pero es superconductor También es muy pequeño: bajo las altas presiones a las que se superconduce, tiene un diámetro de unas 30 millonésimas de metro.

Los detalles exactos de por qué Este compuesto funciona no se entiende completamente: los investigadores ni siquiera están seguros de qué compuesto hicieron exactamente. Pero están desarrollando nuevas herramientas para descubrir qué es y son optimistas de que una vez que puedan hacerlo, podrán modificar la composición para que el compuesto siga siendo superconductor incluso a presiones más bajas.

Bajar a 100 gigapascales, aproximadamente la mitad de las presiones utilizadas en el artículo de Nature de hoy, permitiría comenzar a industrializar sensores súper pequeños con una resolución muy alta, especula Flores-Livas. Los sensores magnéticos precisos se utilizan en la prospección de minerales y también para detectar la activación de neuronas en el cerebro humano, así como en la fabricación de nuevos materiales para el almacenamiento de datos. Un sensor magnético preciso y de bajo costo es el tipo de tecnología que no suena atractivo por sí solo, pero hace que muchos otros sean posibles.

Y si estos materiales se pueden escalar desde pequeños cristales presurizados a tamaños más grandes que funcionan no solo a temperatura ambiente sino también a presión ambiental, eso sería el comienzo de un cambio tecnológico aún más profundo. Ralph Scheicher, modelador computacional de la Universidad de Uppsala en Suecia, dice que no le sorprendería que esto sucediera en la próxima década.

La resistencia es inútil

Las formas en que se genera, transmite y distribuye la electricidad se transformarían fundamentalmente con superconductores a temperatura ambiente baratos y efectivos, más grandes que unas pocas millonésimas de metro. Alrededor del 5% de la electricidad generada en los Estados Unidos se pierde en transmisión y distribución , según la Administración de Información de Energía. Eliminar esta pérdida, para empezar, ahorraría miles de millones de dólares y tendría un impacto climático significativo. Pero los superconductores a temperatura ambiente no solo cambiarían el sistema que tenemos, sino que habilitarían un sistema completamente nuevo. Los transformadores, que son cruciales para la red eléctrica, podrían hacerse más pequeños, más baratos y más eficientes. También podrían hacerlo los motores y generadores eléctricos. El almacenamiento de energía superconductor se utiliza actualmente para suavizar las fluctuaciones a corto plazo en la red eléctrica, pero aún sigue siendo un nicho porque se necesita mucha energía para mantener fríos a los superconductores. Los superconductores a temperatura ambiente, especialmente si pudieran diseñarse para soportar fuertes campos magnéticos, podrían servir como una forma muy eficiente de almacenar grandes cantidades de energía. por periodos de tiempo más largos , haciendo que las fuentes de energía renovables pero intermitentes, como las turbinas eólicas o las células solares, sean más eficaces.

Y debido a que la electricidad que fluye crea campos magnéticos, los superconductores también se pueden usar para crear imanes potentes para aplicaciones tan diversas como máquinas de resonancia magnética y trenes que levitan. Los superconductores también tienen una gran importancia potencial en el incipiente campo de la computación cuántica. Los qubits superconductores ya son la base de algunas de las computadoras cuánticas más poderosas del mundo. Ser capaz de hacer tales qubits sin tener que enfriarlos no solo haría que las computadoras cuánticas sean más simples, más pequeñas y más baratas, sino que también podría conducir a un progreso más rápido en la creación de sistemas de muchos qubits, dependiendo de las propiedades exactas de los superconductores que se crean. .

Todas estas aplicaciones son, en principio, alcanzables con superconductores que deben enfriarse a bajas temperaturas para funcionar. Pero si tiene que enfriarlos tan radicalmente, perderá muchos, en algunos casos todos, los beneficios que obtiene de la falta de resistencia eléctrica. También los hace más complicados, costosos y propensos a fallar.

Queda por ver si los científicos pueden idear compuestos estables que sean superconductores no solo a temperatura ambiente, sino también a presión ambiental. Pero los investigadores son optimistas. Concluyen su artículo con esta tentadora afirmación: se puede lograr un material superconductor robusto a temperatura ambiente que transformará la economía energética, el procesamiento y la detección de información cuántica.

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