Los superconductores a temperatura ambiente —materiales que conducen electricidad con resistencia cero sin necesidad de enfriamiento especial— son el tipo de milagro tecnológico que cambiaría la vida diaria. Podrían revolucionar la red eléctrica y permitir la levitación de trenes, entre muchas otras aplicaciones potenciales. Pero hasta ahora, los superconductores han tenido que enfriarse a temperaturas extremadamente bajas, lo que ha restringido su uso como tecnología de nicho (aunque importante). Durante décadas, pareció que la superconductividad a temperatura ambiente podría estar siempre fuera de su alcance, pero en los últimos cinco años, algunos grupos de investigación de todo el mundo se han involucrado en una carrera para lograrla en el laboratorio.

Uno de ellos acaba de ganar.

En un artículo publicado hoy en Nature, los investigadores informan que se logró una superconductividad a temperatura ambiente en un compuesto que contiene hidrógeno, azufre y carbono a temperaturas tan altas como 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 registros anteriores, el nuevo récord se logró bajo presiones extremadamente altas, aproximadamente dos millones y medio de veces mayor que el 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 de alta temperatura y no participó directamente en el trabajo. “En un par de años”, dice, “pasamos de 200 [K] a 250 y ahora 290. Estoy bastante seguro de que llegaremos a 300”.

Las corrientes eléctricas son cargas eléctricas que fluyen, generalmente compuestas por electrones. Los conductores como los alambres 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 alta velocidad a través de un centro de ciudad congestionado, 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 IBM en Zurich 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 77 K. Esto transformó el estudio de la superconductividad y sus aplicaciones en cosas como las resonancias magnéticas hospitalarias, porque el nitrógeno líquido es barato y fácil de manejar. (El helio líquido, aunque más frío, es mucho más delicado y caro). El gran salto en la década de 1980 llevó a la febril especulación 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 se “acoplan” a los 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 dichos pares se formen en una amplia variedad de materiales. En 1968, Neil Ashcroft, de la Universidad de Cornell, postuló que bajo altas presiones, el hidrógeno también sería un superconductor. Al obligar a los átomos a agruparse 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 intentado comprender cuáles son esas circunstancias y averiguar qué otros elementos podrían mezclarse con el hidrógeno para lograr la superconductividad a temperaturas progresivamente más altas y presiones más bajas.

En el trabajo que se informa 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 apuntó un láser al 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 aproximadamente 30 millonésimas de metro de diámetro.

Los detalles exactos de por qué funciona este compuesto no se comprenden 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 pueda seguir siendo superconductor incluso a presiones más bajas.

Bajar a 100 gigapascales, aproximadamente la mitad de las presiones que se utilizan en el artículo actual de Nature, permitiría comenzar a industrializar “sensores súper pequeños con muy alta resolución”, 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 sexy por sí sola, pero hace que muchas otras 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, ese sería el comienzo de un cambio tecnológico aún más profundo. Ralph Scheicher, modelador computacional de la Universidad de Uppsala en Suecia, dice que no se sorprendería si esto sucediera “en la próxima década”.

La resistencia es inútil

Las formas en que se genera, transmite y distribuye la electricidad se verían fundamentalmente transformadas por superconductores económicos y eficaces a temperatura ambiente de más de unas pocas millonésimas de metro. Aproximadamente el 5% de la electricidad generada en los Estados Unidos se pierde en la transmisión y distribución, según la Administración de Información de Energía. La eliminación de esta pérdida, para empezar, ahorraría miles de millones de dólares y tendría un impacto climático significativo. Pero los superconductores de 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 superconductora se utiliza actualmente para suavizar las fluctuaciones a corto plazo en la red eléctrica, pero sigue siendo un nicho relativamente pequeño porque se necesita mucha energía para mantener fríos los superconductores. Los superconductores a temperatura ambiente, especialmente si se pueden diseñar para resistir campos magnéticos fuertes, podrían servir como una forma muy eficiente de almacenar grandes cantidades de energía durante períodos de tiempo más largos, haciendo que las fuentes de energía renovables pero intermitentes como las turbinas eólicas o las células solares sean más efectivas.

Y debido a que el flujo de electricidad crea campos magnéticos, los superconductores también se pueden utilizar para crear potentes imanes para aplicaciones tan diversas como máquinas de resonancia magnética y trenes levitantes. Los superconductores también son de gran importancia potencial en el campo naciente 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 necesitan ser enfriados a bajas temperaturas para que funcionen. Pero si tiene que enfriarlos de manera tan radical, 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 de energía, el procesamiento y la detección de información cuántica”.

por Konstantin Kakaesarchive page


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