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Un grupo de investigadores controvertido afirma haber logrado un material superconductor a temperatura ambiente.

Los superconductores son materiales que conducen la electricidad sin pérdida alguna. Además son diamagnéticos perfectos (efecto Meissner). Esto es, los campos magnéticos pasan alrededor del material superconductor y no invaden su interior. Los superconductores se usan, entre otras cosas, para generar campos magnéticos muy potentes, como los empleados en sistemas de resonancia magnética nuclear.

El problema es que la superconducción se da a temperaturas muy bajas, tan cercanas del cero absoluto que se emplea helio líquido como refrigerante. Aunque en los años ochenta se descubrieron compuestos superconductores de alta temperatura crítica, estas cerámicas necesitan de nitrógeno líquido para su refrigeración y eran frágiles, así que tampoco solucionaron el problema.

El asunto de poder tener un superconductor a temperatura ambiente es un sueño que, de momento, solo se da en la ciencia ficción.

Ahora, investigadores de la Universidad de Rochester dirigidos por Ranga Dias dicen haber creado un material superconductor a temperatura ambiente y a una presión que no es descabellada. Aunque el resultado se confirme, las aplicaciones prácticas estarán de todos modos lejos.

En un artículo publicado en Nature describen un hidruro de lutecio dopado con nitrógeno (NDLH) que exhibe superconductividad a 20,5 grados Celsius y a 10 kilobares de presión (aproximadamente 10 veces la presión que se ejerce en el fondo de las fosas más profundas del océano). Aunque esta presión es elevada para la vida cotidiana, los autores del estudio argumentan que, por ejemplo, en las técnicas de ingeniería de deformación que se utilizan habitualmente en la fabricación de chips se incorporan materiales que se mantienen unidos por presiones químicas internas que son aún más altas.

Los científicos han estado persiguiendo este avance en la física de la materia condensada durante más de un siglo. Los materiales superconductores tienen dos propiedades clave: la resistencia eléctrica desaparece y los campos magnéticos que se expulsan pasan alrededor del material superconductor. Tener líneas de corriente eléctrica que no tengan pérdidas o producir grandes campos magnéticos puede ser muy útil.

Anteriormente, el equipo de Dias informó sobre la creación de dos materiales, hidruro de azufre carbonáceo y superhidruro de itrio, que eran igualmente superconductores, pero a una presión mucho mayor. El grupo de Dias sufrió diversas críticas en su día por estos resultados. Otros investigadores no pudieron replicar los resultados y se quejaron de que la receta del estudio era vaga e incompleta. Otros encontraron fallas en la forma en que el grupo midió el comportamiento magnético del material, una firma clave de la superconductividad. Finalmente, Nature retiró el artículo en septiembre de 2022 a pesar de las objeciones de todos sus autores.

El documento anterior se ha vuelto a enviar a Nature con nuevos datos que validan el trabajo anterior, dice Dias. Los nuevos datos se recopilaron fuera del laboratorio, en los Laboratorios Nacionales de Argonne y Brookhaven, frente a una audiencia de científicos que vieron en vivo la transición superconductora. Se ha adoptado un enfoque similar con el nuevo estudio, según ellos.

Los hidruros creados mediante la combinación de metales de tierras raras con hidrógeno y luego la adición de nitrógeno o carbono han proporcionado nuevos materiales superconductores en los últimos años. En términos técnicos, los hidruros de metales de tierras raras forman estructuras de jaula similares a los clatratos, donde los iones de metales de tierras raras actúan como donantes de portadores y proporcionan suficientes electrones que mejoran la disociación de las moléculas de hidrógeno. El nitrógeno y el carbono ayudan a estabilizar los materiales. En pocas palabras: se requiere menos presión para que ocurra la superconductividad.

Además del itrio, los investigadores han utilizado otros metales de tierras raras. Sin embargo, los compuestos resultantes se vuelven superconductores a temperaturas o presiones que aún no son prácticas.

Entonces el grupo investigador echo un vistazo a la tabla periódica y encontraron que el lutecio parecía un buen candidato para probar. Este posee 14 electrones altamente localizados que llenan completamente la configuración del orbital f. Esto suprimen el ablandamiento de fonones y mejora el acoplamiento electrón-fonón necesario para que se produzca la superconductividad a temperatura ambiente. La clave sería la presión que se necesitaría para ello.

El nitrógeno, como el carbono, tiene una estructura atómica rígida que se puede utilizar para crear una red más estable, similar a una jaula, dentro de un material, lo que afecta a los fonones ópticos de baja frecuencia. Esta estructura proporciona la estabilidad para que se produzca la superconductividad a menor presión.

El equipo creó una mezcla de gases de 99% de hidrógeno y 1% de nitrógeno, la colocó en una cámara de reacción con una muestra pura de lutecio y dejó que los componentes reaccionaran a 2 gigapascales de presión (casi 20000 veces la presión atmosférica) y a 200 Celsius durante un máximo de 3 días. Se formó entonces un material azul que sobrevivió incluso después de que se rebajase la presión.

El compuesto de lutecio-nitrógeno-hidrógeno resultante tenía inicialmente un color azulado brillante, pero cuando el compuesto se comprimió en una celda de yunque de diamante, se produjo una transformación visual. A medida que aumentaban las presiones, el cristal de lutecio azul se volvió rosa (a 0,3 gigapascales) y la resistencia eléctrica se redujo a cero. Luego pasó a un estado metálico no superconductor de color rojo brillante.

La sustancia alcanzó una temperatura superconductora máxima de 294 K, verdaderamente a temperatura ambiente, y a una presión de 1 gigapascal. Las mediciones magnéticas también mostraron que la muestra repelía un campo magnético aplicado externamente. Todo ello según los investigadores implicados.

La presión necesaria para inducir la superconductividad es casi dos órdenes de magnitud inferior a la presión necesaria para obtener los resultados anteriores en otros compuestos que obtuvo el mismo grupo.

Dias propone que su compuesto podría usarse en fusión nuclear y para otros fines, aunque puede que peque de optimista. También señala la posibilidad de entrenar algoritmos de aprendizaje automático con los datos acumulados de la experimentación superconductora en su laboratorio para predecir otros posibles materiales superconductores.

Los físicos del ramo ponen en cuestión que se pueda alcanzar esta superconducción porque la teoría no sustenta que el fenómeno se dé a temperatura tan alta. Habrá que esperar nuevos estudios. De momento no parece que este grupo dé buenas recetas para la síntesis del material y que así se pueda replicar el resultado, ni tampoco da muestras. «No vamos a distribuir este material considerando la naturaleza patentada de nuestro proceso y los derechos de propiedad intelectual que existen», dijo Dias por correo electrónico. Muchos físicos dicen que es un comportamiento completamente acientífico.

¿Llegarán al final los superconductores a temperatura ambientes? ¿Funcionaran a una presión normal? Esto es algo que marcaría el comienzo de un sueño de un siglo. Los superconductores a temperatura ambiente podrían dar lugar a redes eléctricas y chips hipereficientes, así como a los imanes ultrapotentes necesarios para la levitación de trenes y la energía de fusión.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Artículo original.
Foto: Ranga Dias.