Al comprimir sólidos moleculares simples con hidrógeno a presiones extremadamente altas, ingenieros y físicos de la Universidad de Rochester han creado por primera vez un material superconductor a temperatura ambiente. Presentado como artículo de portada en la revista Nature, el trabajo fue realizado por el laboratorio del doctor Ranga Dias, profesor asistente de física e ingeniería mecánica.
Dias asegura que desarrollar materiales que sean superconductores, sin resistencia eléctrica y sin expulsión de campo magnético a temperatura ambiente, es el «santo grial» de la física de la materia condensada. Este material, buscado durante más de un siglo, «definitivamente puede cambiar el mundo tal como lo conocemos«.
Al establecer el nuevo récord, Dias y su equipo de investigación combinaron hidrógeno con carbono y azufre para sintetizar fotoquímicamente hidruro de azufre carbonoso derivado de orgánicos simples en una celda de yunque de diamante, un dispositivo de investigación utilizado para examinar cantidades minúsculas de materiales bajo una presión extraordinariamente alta.
El hidruro de azufre carbonoso exhibió una superconductividad a aproximadamente 14,5ºC y una presión de aproximadamente 2.650.000 atmósferas. Esta es la primera vez que se observa material superconductor a temperatura ambiente.
«Debido a los límites de la baja temperatura, los materiales con propiedades tan extraordinarias no han transformado el mundo de la manera que muchos podrían haber imaginado. Sin embargo, nuestro descubrimiento romperá estas barreras y abrirá la puerta a muchas aplicaciones potenciales«, según Dias, quien también está afiliado a los programas de Ciencia de Materiales y Física de Alta Densidad Energética de la Universidad.
Las aplicaciones incluyen:
-Redes eléctricas que transmiten electricidad sin pérdida de hasta 200 millones de megavatios hora (MWh) de la energía que ahora se produce por resistencia en los cables.
-Una nueva forma de propulsar trenes levitados y otras formas de transporte.
-Técnicas de escaneo e imágenes médicas, como resonancia magnética y magnetocardiografía.
-Electrónica más rápida y eficiente para lógica digital y tecnología de dispositivos de memoria.
«Vivimos en una sociedad de semiconductores, y con este tipo de tecnología, puedes llevar a la sociedad a un punto superconductor donde nunca más necesitarás baterías«, comenta Ashkan Salamat, de la Universidad de Nevada en Las Vegas, coautor del descubrimiento.
La cantidad de material superconductor creado por las células del yunque de diamante se mide en picolitros, aproximadamente el tamaño de una sola partícula de inyección de tinta.
El próximo desafío, comenta Dias, es encontrar formas de crear materiales superconductores a temperatura ambiente a presiones más bajas, por lo que sería económico producirlos en mayor volumen. En comparación con los millones de libras de presión creadas en las celdas del yunque de diamante, la presión atmosférica de la Tierra al nivel del mar es de aproximadamente una atmósfera.
Por qué es importante la temperatura ambiente en los superconductores
Descubierta por primera vez en 1911, la superconductividad otorga a los materiales dos propiedades clave. La resistencia eléctrica desaparece. Y cualquier apariencia de un campo magnético es eliminada, debido a un fenómeno llamado efecto Meissner. Las líneas del campo magnético tienen que pasar alrededor del material superconductor, lo que hace posible la levitación para dichos materiales, algo que podría usarse para trenes de alta velocidad sin fricción, conocidos como trenes maglev.
Los potentes electroimanes superconductores ya son componentes críticos de trenes maglev, máquinas de resonancia magnética (MRI) y resonancia magnética nuclear (NMR), aceleradores de partículas y otras tecnologías avanzadas, incluidas los primeros superordenadores cuánticos. Pero los materiales superconductores utilizados en los dispositivos generalmente funcionan sólo a temperaturas extremadamente bajas, más bajas que cualquier temperatura natural en la Tierra. Esta restricción los hace costosos de mantener y demasiado costosos para extenderlos a otras aplicaciones potenciales. «El costo de mantener estos materiales a temperaturas criogénicas es tan alto que realmente no se puede aprovechar al máximo«, afirma Dias.
Anteriormente, la temperatura más alta para un material superconductor se alcanzó el año pasado en el laboratorio de Mikhail Eremets en el Instituto Max Planck de Química en Mainz, Alemania, y el grupo de Russell Hemley en la Universidad de Illinois en Chicago. Ese equipo informó una superconductividad de -10 a -13ºC usando superhidruro de lantano.
Los investigadores también han explorado los óxidos de cobre y los productos químicos a base de hierro como candidatos potenciales para superconductores de alta temperatura en los últimos años. Sin embargo, el hidrógeno, el elemento más abundante del universo, también ofrece un componente prometedor. «Para tener un superconductor de alta temperatura, se necesitan enlaces más fuertes y elementos ligeros. Esos son los dos criterios muy básicos«, sigue Dias. «El hidrógeno es el material más ligero y el enlace de hidrógeno es uno de los más fuertes”.
«Se teoriza que el hidrógeno metálico sólido tiene una alta temperatura de Debye y un fuerte acoplamiento electrón-fonón que es necesario para la superconductividad a temperatura ambiente«, asegura Dias.
Sin embargo, se necesitan presiones extraordinariamente altas sólo para obtener el hidrógeno puro en un estado metálico, lo que se logró por primera vez en un laboratorio en 2017 por el profesor de la Universidad de Harvard Isaac Silvera y Dias.
Un cambio de paradigma en los superconductores
El laboratorio de Dias en Rochester ha perseguido un «cambio de paradigma» en su enfoque, utilizando como alternativa materiales ricos en hidrógeno que imitan la elusiva fase superconductora del hidrógeno puro y pueden metalizarse a presiones mucho más bajas.
Primero, el laboratorio combinó itrio e hidrógeno. El superhidruro de itrio resultante exhibió superconductividad a lo que entonces era una temperatura récord de aproximadamente -11ºC y una presión de aproximadamente 1.770.000 atmósferas. A continuación, el laboratorio exploró materiales covalentes de origen orgánico ricos en hidrógeno.
Este trabajo dio como resultado el hidruro de azufre carbonoso. «Esta presencia de carbono es de suma importancia aquí«, comentan los investigadores. Un mayor «ajuste compositivo» de esta combinación de elementos puede ser la clave para lograr la superconductividad a temperaturas aún más altas, según el equipo.
Fuente: Nature.
