211service.com
Un nuevo superconductor
Una nueva clase de superconductores de alta temperatura, descubierta a principios de este año, se comporta de manera muy diferente a los superconductores de cobre-oxígeno conocidos anteriormente. En cambio, los nuevos materiales parecen seguir un mecanismo de superconductividad que anteriormente solo se encontraba en materiales que son superconductores a temperaturas muy bajas. Chia-Ling Chien y sus colegas de la Universidad Johns Hopkins informan en un Naturaleza papel.
Sin resistencia: Los nuevos superconductores contienen capas alternas de arseniuro de hierro (naranja y rojo) y óxidos de metales de tierras raras (azul y gris) dopados con flúor (verde). Los compuestos de arseniuro de hierro se vuelven superconductores a temperaturas relativamente altas de 55 K, y los investigadores ahora están comenzando a descifrar su mecanismo superconductor.
La información es un paso importante hacia la comprensión de cómo funcionan los superconductores y podría ayudar a los investigadores a diseñar materiales aún mejores. Los superconductores de alta temperatura podrían conducir a equipos de resonancia magnética más baratos; cables de alimentación más pequeños y ligeros; y redes eléctricas mucho más seguras y eficientes desde el punto de vista energético. Las empresas de servicios públicos, por ejemplo, podrían usar imanes superconductores para almacenar energía durante la noche y luego usarla en las horas de mayor demanda por las mañanas y las tardes.
Los materiales superconductores conducen la corriente eléctrica sin pérdidas cuando se enfrían por debajo de una cierta temperatura, llamada temperatura crítica. Las aleaciones de niobio, que se utilizan para fabricar imanes superconductores para máquinas de resonancia magnética, son superconductores solo por debajo de 10 K. Los compuestos de cobre y oxígeno, o cupratos, que se descubrieron a fines de la década de 1980, son superconductores a temperaturas mucho más altas de 90 a 138 K. A estas temperaturas , se puede emplear nitrógeno líquido barato y fácil de usar como refrigerante. (Los cupratos no se utilizan para los imanes de resonancia magnética porque es difícil y costoso fabricar cables con ellos). Y algunos fabricantes están fabricando cables superconductores refrigerados con nitrógeno para líneas de transmisión.
Pero los investigadores han intentado durante mucho tiempo encontrar materiales con temperaturas críticas aún más altas. El santo grial está funcionando [superconductores] a temperatura ambiente, dice un físico Jeffrey Lynn , quien estudia superconductores en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. Los cables de alimentación superconductores, las máquinas de resonancia magnética y los dispositivos de almacenamiento de energía serían más baratos y más pequeños si no necesitaran refrigeración.
Los nuevos superconductores de arseniuro de hierro han mostrado potencial para alcanzar altas temperaturas críticas. Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio informaron por primera vez en un artículo de febrero en Revista de la Sociedad Química Estadounidense que un material de arseniuro de hierro y lantano se vuelve superconductor a 26 K. Desde entonces, los investigadores chinos han elevado la temperatura crítica hasta 55 K. material para explorar, y uno espera que obtengamos temperaturas aún más altas.
La estructura química del nuevo material lo hace particularmente emocionante. Contiene óxidos de metales de tierras raras intercalados entre capas de arseniuro de hierro. La estructura permite muchos retoques que modifican las propiedades del material, dice Lynn. Los investigadores pueden, por ejemplo, reemplazar el hierro, el arsénico o los metales de tierras raras por otros elementos. De hecho, los investigadores chinos reemplazaron el lantano en el material japonés original con otros metales de tierras raras, como el samario, para elevar la temperatura crítica por encima de 50 K. Hay muchos tipos diferentes de sustituciones químicas que puede probar, dice Lynn. En realidad, son más flexibles que los cupratos.
Los nuevos superconductores también podrían tener otra ventaja crucial, dice David Christen, quien dirige la investigación de superconductores en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Si bien los cables de alimentación de cuprato deben fabricarse como cintas planas especialmente diseñadas, podría ser más fácil fabricar cables a partir de semiconductores de arseniuro de hierro. Estos materiales podrían ser más prácticos que los cupratos si resulta que son más fáciles y menos costosos de fabricar, dice Christen.
Los investigadores también esperan que los arseniuros de hierro ayuden a desvelar el misterio de cómo funcionan los superconductores de alta temperatura. Eso será clave para diseñar materiales con temperaturas críticas aún más altas. En superconductores que funcionan a temperaturas muy bajas, como el niobio y el plomo, los electrones forman pares por debajo de la temperatura crítica. Los átomos o defectos en el cristal no tienen la energía necesaria para romper el par y desviar los electrones. Entonces, el par de electrones se desliza alrededor del material sin obstáculos, dando lugar a una superconductividad. Pero esta teoría de emparejamiento no es válida para materiales de cobre y oxígeno de alta temperatura.
En su Naturaleza En el artículo, Chien y sus colegas muestran evidencia que sugiere que la teoría del emparejamiento podría ser válida para los superconductores de arseniuro de hierro. El emparejamiento de electrones es el alma del superconductor, dice Chien. Si los nuevos materiales siguen la teoría [del emparejamiento], entonces ... podremos entender los materiales un poco más fácilmente.
Se necesitará más evidencia de experimentos realizados con muchos compuestos diferentes de arseniuro de hierro para confirmar cómo funcionan los superconductores, dice Pengcheng Dai , profesor de física en la Universidad de Tennessee, en Knoxville. El trabajo de Johns Hopkins es solo una pieza del rompecabezas, dice. De hecho, aunque el mecanismo de emparejamiento de los arseniuros de hierro puede ser diferente al de los compuestos de cobre y oxígeno, los dos materiales también tienen similitudes. En un artículo en línea reciente, también publicado en Naturaleza , Dai y Lynn demostraron que los dos materiales comparten propiedades magnéticas clave. Y ambos materiales también tienen una estructura en capas similar.
Podría ser demasiado pronto para decir cuán útiles serán los superconductores de arseniuro de hierro. Por ahora, Dai dice que los investigadores están entusiasmados por haber roto el monopolio de 22 años de los cupratos y por tener un nuevo superconductor de alta temperatura con el que jugar.