NeoFronteras

Logran sintetizar diversos compuestos de una nueva familia de superconductores de alta temperatura crítica. Quizás ayuden a explicar este fenómeno superconductivo o proporcionen nuevas aplicaciones prácticas.

Estructura cristalina de uno de los nuevos superconductores basados en hierro. Dibujo: Takatoshi Nomura y colaboradores.

Los superconductores son materiales que conducen la corriente eléctrica sin pérdida cuando están por debajo de cierta temperatura. Los superconductores tradicionales realizan esto cuando su temperatura está muy cerca del cero absoluto. Pero en 1986 se descubrió una familia de superconductores basada en cupratos (óxidos de cobre), como el YBaCuO, que hacían esto mismo a una temperatura relativamente alta (hasta la última marca de 138 K), de tal modo que bastaba nitrógeno líquido (que hierve a 79 K) para que se tornaran superconductores. A pesar de su naturaleza cerámica y lo difícil que es trabajar con ellos se han encontrado algunas aplicaciones prácticas a los mismos.
Se cree que los planos de cobre-oxígeno del YBaCuO son los que proporcionan la superconductividad a este tipo de materiales. Pero la explicación última del mecanismo que hay detrás de estos materiales y que les hace superconductores a alta temperatura (relativa) ha traído de cabeza a los físicos desde entonces. Todavía hoy día no hay unanimidad a la hora de explicar su comportamiento, siendo uno de los grandes misterios que hay actualmente en Física.
Ahora investigadores japoneses y chinos han descubierto una nueva familia de superconductores de alta temperatura de una composición distinta. Quizás estos nuevos materiales, aunque de menor temperatura crítica (de momento), puedan ayudar a entender este fenómeno.
También hay físicos teóricos afirmando que la importancia de la nueva familia será más relevante si se comportan de un modo distinto a los cupratos, ya que si hubiera un nuevo mecanismo detrás del fenómeno de la superconducción sería más fascinante a los ojos de estos.
La superconductividad tradicional (descubierta en 1911) puede explicarse mediante la existencia de pares de Cooper. Cuando las temperaturas son muy bajas aparecen los pares de Cooper. Éstos son asociaciones de dos electrones que se mantienen unidos gracias a fonones, que son vibraciones de la red. La atracción mediada por fonones entre estos electrones de spines opuestos es mayor que la repulsión entre sus cargas.
Los pares de Cooper son bastante más grandes que el espaciado interatómico de la red cristalina y todos ellos se comportan como un todo que puede avanzar a través de la red sin esfuerzo, por lo que la resistencia eléctrica desaparece. Los fonones son por tanto fundamentales para la superconducción tradicional. A una temperatura relativamente alta (a la temperatura crítica) se terminan destruyendo todos los pares de Cooper y, por tanto, el estado superconductor desaparece.
Pero este mecanismo de fonones no puede explicar los superconductores basados en cupratos que desde hace más de 20 años se viene estudiando. Recientemente se ha propuesto que para estos materiales la superconductividad no está mediada por fonones.
En los nuevos materiales no hay cobre (algún investigador ha exclamado que se ha «liberado» de la «tiranía» del cobre en un ataque de excitación), aunque se parecen de algún modo a aquellos, pues la nueva familia tiene planos conductores, aunque de hierro-arsénico.
El pasado 23 de febrero Hideo Hosono del Instituto de tecnología de Tokio informó en la revista de la Sociedad Americana de Química que un compuesto de lantano, oxígeno, flúor, hierro y arsénico (LaO_1-xF_xFeAs) se volvía superconductor por debajo de 26 grados Kelvin.
El equipo chino, dirigido por X.H. Chen, de la Universidad de Hefei informó el pasado 25 de Marzo que un compuesto de samario, oxígeno, flúor, hierro y arsénico (SmO_1-xF_xFeAs) tenía una temperatura crítica de 43K. Tres días más tarde Zhong-Xian Zhao afirmaba haber encontrado un compuesto de praseodimio (PrO_1-xF_xFeAs) con una temperatura crítica de 52 kelvins. Y el pasado 13 de abril este mismo grupo entraba una temperatura crítica de 55 kelvins en este último compuesto cuando era sometido a presión.
Estos nuevos materiales tiene una estructura cristalina muy similar y los cálculos sugieren que las vibraciones de la red o fonones no proporcionan el mecanismo superconductivo.
El descubrimiento de esta nueva familia ha cogido por sorpresa a los investigadores del campo, ya que la naturaleza magnética del hierro debería de interferir en la formación de pares de Cooper. Quizás las fluctuaciones del spin jueguen un papel importante en este caso como se cree que lo hace en los cupratos, aunque quizás en este caso este mecanismo no sea suficiente. Otras especulaciones (de momento no hay otra cosa) hablan de fluctuaciones orbitales.
La cuestión es si estos superconductores se comportan de la misma manera en la que lo hacen los superconductores basados en cupratos. Ambos tienen estructuras planares por donde circulan los electrones, exhiben antiferromagnetismo y son malos conductores por encima de la temperatura crítica, pero el estado electrónico de los nuevos surge de dos electrones de los iones de hierro en lugar de uno en los iones de cobre.
La síntesis de estos materiales y los que quedan por llegar traerá sin duda mucha excitación al mundillo de la superconductividad. Además de hacernos pensar sobre la naturaleza de la superconductividad a alta temperatura, este descubrimiento nos haga plantearnos si hay otras familias de superconductores de alta temperatura que funcionen a temperaturas muy superiores.
Una ventaja de los nuevos superconductores es que son más fáciles de fabricar y manufacturar que los cupratos, cuya naturaleza cerámica les confiere mucha fragilidad. Los avances en superconductores basados en cupratos han sido muy pocos en los últimos años. Si se aumentara la temperatura crítica en los recientemente descubiertos desbancarían a los cupratos como materiales comerciales. Incluso se podría soñar con trenes de levitación magnética comerciales viables económicamente, envío de energía eléctrica a gran distancia sin perdida, etc.
Mientras tanto siempre podremos soñar con superconductores a temperatura ambiente.

Fuentes y referencias:
– Crystallographic Phase Transition and High-Tc Superconductivity in LaOFeAs:F
– Superconductivity at 55 K in iron-based F-doped layered quaternary compound Sm[O1-xFx]FeAs.
– Superconductivity at 52 K in iron-based F-doped layered quaternary compound Pr[O1-xFx]FeAs.