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Superconducción a 70 bajo cero

Área: Física — lunes, 31 de agosto de 2015

Descubren que el sulfuro de hidrógeno es superconductor a 70 bajo cero siempre y cuando se le someta a una presión de 1,5 millones de bares.

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Un superconductor conduce la electricidad sin pérdida. Todos los superconductores conocidos se comportan como tales sólo a muy baja temperatura. Los primeros de ellos lo hacían a sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto de temperatura, por tanto hay que usar helio líquido como refrigerante si queremos emplear la superconductividad.
En los años ochenta del pasado siglo se descubrió el YBaCuO, que es superconductor a 90K, toda una maravilla que nos llenó de admiración y esperanza de que hubiera superconductores a temperatura ambiente. Sin embargo, desde entonces se ha avanzado poco.
Ni siquiera se tiene una buena teoría que explique la superconducción de alta temperatura, pero sí una que explica los superconductores de baja temperatura. Esta teoría se denomina BCS (por John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer) y se propuso en 1957. Según esta teoría los electrones forman pares de Cooper de tal modo que cuando estos pares circulan por el superconductor las alteraciones producidas en la trayectoria de uno de los electrones del par es corregida por el otro. Como el tamaño de los pares puede ser grande hay muchos pares dentro de cada par, por lo que los pares de Cooper se comportan como un todo que avanza sin resistencia por el superconductor. Lo que mantiene unidos a los electrones de los pares es el intercambio de fonones, que son vibraciones cuantizadas de la red cristalina.
La meta sería tener superconductores a temperatura ambiente, pero no parece que esto se pueda conseguir con la superconducción normal de baja temperatura, ¿o sí?
A raíz del estudio del YBaCuO y otros superconductores se vio que la estructura cristalina de estos compuestos sometía a presión a ciertas partes de la misma y que esto favorecía la superconducción. Desde entonces se sometió a presión convencional (aplastando las muestras) a algunos compuestos para ver si eran superconductores.
Ahora un grupo de investigadores dirigidos por Mikhail Eremets (Instituto Max Planck de Química en Mainz) han conseguido una marca mundial al comprobar que el sulfuro de hidrogeno es superconductor a 203 K (-70 grados centígrados), siempre y cuando se le someta a una presión de 1,5 millones de bares. Para hacernos una idea, el record de temperatura más baja alcanzada en la Tierra por medios naturales meteorológicos es de 89 grados bajo cero. Así que este material sería superconductor en algunos sitios de la Antártida o el Ártico en algunas ocasiones, siempre que lo sometamos a esa presión, claro.
Los físicos implicados en este descubrimiento sostienen que es un paso adelante en la obtención de superconductores de temperatura ambiente.
Según los cálculos teóricos el hidrógeno puro sometido a presión debería ser superconductor a temperatura ambiente, pero, hasta ahora, esto no se ha conseguido (¿no se ha conseguido la suficiente presión?). Por eso los investigadores echaron un vistazo a compuestos ricos en hidrógeno, como el sulfuro de hidrógeno (H2S). Este compuesto es fácil de manejar y se sabía que se hace superconductor a 80K y alta presión.
Así que se pusieron manos a la obra y sometieron a este gas a una presión de 1,5 millones de bares gracias a una junta de yunques de diamante. Básicamente se pone la muestra entre dos diamantes pequeños y se comprime uno contra el otro. Se trata de una tecnología estándar. Comprobaron que en este compuesto a 203.5 K la resistencia eléctrica y la imanación decrecían abruptamente, señal de la existencia de superconducción.
Los físicos implicados creen que ante esta presión el sulfuro de hidrógeno se descompone, se obtiene H3S y que la superconducción que aparece es la convencional de pares de Cooper de la teoría BCS, pero no todos los expertos del campo están convencidos de este último punto.
Obviamente no se trata de un material práctico, pero a través de su estudio se podrían averiguar las condiciones necesarias para obtener los tan ansiados superconductores de temperatura ambiente y de presión normal.
La obtención de algo así permitiría la transmisión de energía eléctrica sin pérdidas, el almacenamiento in vivo de la misma y la fabricación de generadores y motores más eficientes. Incluso podrían hacer factible un tren maglev económico.
Pero hay que recalcar que los superconductores de temperatura ambiente están muy lejos, si es que finalmente se consiguen.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Foto: Thomas Hartmann/Universidad Johannes Gutenberg de Mainz.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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2 Comentarios

  1. lluís:

    – Lo que no veo claro es cómo se pueden mantener emparejados los “pares de Cooper” a temperatura ambiente, si se mantienen emparejados a temperaturas extremadamente bajas, temperaturas en las que se evita la repulsión culombiana entre electrones, ¿Qué pasaría a temperatura ambiente?.Y si son los fonones los que permiten a esos pares eludir el principio de exclusión de Pauli (de hecho esos pares tienen el carácter de bosón), ¿que pasaría con la vibración de la red (los fonones) a temperatura ambiente?
    – Está claro que si se consiguiera la superconductividad a temperatura ambiente, se habría dado con la “piedra filosofal”.Entre otras cosas que se dicen aquí, poder almacenar la energía eléctrica en vivo sería algo muy serio.

  2. David:

    En el blog de nature,Edwin Cartlidge, parece explicar este tema muy bien, ttp://dx.doi.org/10.1038/nature.2015.17870

    En españolhttp://francis.naucas.com/2015/07/02/superconductividad-a-203-c-70-c-bajo-presiones-muy-altas/

    Muy interesante el tema, e inesperado, pues ya pensaba que los superconductores convencionales BCS, serian siempre de baja temperatura, y los de alta, serian los no convencionales, exóticos, como los de CuO2 (164°), C60 (110°), y FeAs (55°). Aunque el MgB2, caso aislado de tipo grafito, con una Tc de 39°, junto con el compositor CS, con una Tc~20°; y los hidrocarburos solidos, como el K3dibenzopentaceno, (~33°) -parece que cuando forman coroneros, los siete anillos de benceno, (18°) no logra una Tc tan alta, como cuando estos forman una cadena o filamento, por alguna razón.-

    Algunos científicos como Hirsch (teoría de superconductividad por huecos), no esta de acuerdo con la teoría del hidrógeno metálico, con fuerte acoplamiento electron-fonon, BCS, que se produciría, debido a la baja masa de los átomos de hidrógeno. Ya anteriormente, se hablaba de que el Nb3Si, llegaría a superconductor, con una Tc>30°, debido a la baja masa de los átomos de Si, respecto a los de Ge. Resultando al final, que el Nb3Ge, alcanzaba una Tc de 23°, mayor que a la que súper conducía el Nb3Si, que creo que lo hacia a 18°.

    También esto se ha visto en superconductores de C-S, con estructura de tipo grafito, que ha súper conducido, con una Tc~20°, habiéndolo hecho el Ca2C, a una Tc~11.5°, la temperatura mas alta de superconduccion electronica, lograda en una estructura de tipo grafito, formada por átomos de carbono; y siendo los átomos de S, en este tipo de estructura, formada por átomos de carbono y azufre, mas pesados (con una mayor masa) que los átomos de C. Curioso todo esto…

    Sin embargo/De todas formas, me pareció haber leído una vez, que la teoría de súper conducción por huecos de Hirsch, no ha tenido mucho éxito, debido a que es muy rígida.

    Los grados son en grados absolutos o quelvins, por que el filtro ortográfico, no me deja ponerlos con la letra ca.

    Un saludo a tod@s, y hasta la próxima vez.

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