La investigación de superconductores se encuentra en una “edad de oro”, a pesar de la controversia

Por Davide Castelvecchi & revista naturaleza

A Naturaleza La retracción de la semana pasada puso fin a la última afirmación sobre la superconductividad a temperatura ambiente, en la que los investigadores dijeron que habían fabricado un material que podía conducir electricidad sin producir calor residual y sin refrigeración.

El retracción sigue el caída de una afirmación aún más descarada sobre una supuesta superconductor llamado LK-99, que se volvió viral en las redes sociales a principios de este año.

A pesar de estos reveses de alto perfil, los investigadores de la superconductividad dicen que el campo está disfrutando de cierto renacimiento (ver ‘Cronología: Hitos de la superconductividad’). “No es un campo en extinción, al contrario”, afirma Lilia Boeri, física especializada en predicciones computacionales en la Universidad La Sapienza de Roma. El progreso se ve impulsado en parte por las nuevas capacidades de las simulaciones por computadora para predecir la existencia y las propiedades de materiales no descubiertos.

Gran parte del entusiasmo se centra en los “superhidruros”, materiales ricos en hidrógeno que han mostrado superconductividad a temperaturas cada vez más altas, siempre que se mantengan a alta presión. El tema de la retractación. Naturaleza Se suponía que el papel era uno de esos materiales, hecho de hidrógeno, lutecio y nitrógeno. Pero el trabajo de los últimos años ha desenterrado varias familias de materiales que podrían tener propiedades revolucionarias. “Realmente parece que estamos al borde de poder encontrar muchos superconductores nuevos”, dice Paul Canfield, físico de la Universidad Estatal de Iowa en Ames y del Laboratorio Nacional Ames.

electrones surfeando

La superconductividad surge cuando los electrones de un sólido se combinan para formar “pares de Cooper”. Esto permite que muchos más electrones de lo habitual se muevan sincronizados dentro del material, lo que a su vez permite que los electrones transporten corrientes sin producir calor residual.

En los superconductores “convencionales”, los electrones forman pares de Cooper cuando son empujados entre sí por vibraciones en el material: ondas mecánicas que los pares de Cooper cabalgan como surfistas sobre una ola. Hasta mediados de la década de 2000, los investigadores pensaban que este mecanismo sólo funcionaría a temperaturas extremadamente bajas, de hasta unos 40 Kelvin. Todos los superconductores hechos de un solo elemento requieren temperaturas inferiores a 10 Kelvin para exhibir esta propiedad. Diboruro de magnesio, un superconductor convencional descubierto en 2001 realizado por un equipo dirigido por Jun Akimitsu de la Universidad de Okayama en Japón, elevó el récord de temperatura más alta a 39 kelvin.

La base de los superhidruros se estableció en 2004, cuando el fallecido físico teórico Neil Ashcroft predijo que ciertos elementos formarían compuestos con hidrógeno que podrían superconducirse a temperaturas mucho más altas que cualquier otro material, si se los sometiera a suficiente presión para forzar el hidrógeno. átomos más juntos.

Según la teoría de Ashcroft, la proximidad de los átomos de hidrógeno aumentaría la frecuencia de las vibraciones mecánicas, lo que permitiría que el material se calentara manteniendo su superconductividad. Pero había un problema: para siquiera existir, algunos de estos materiales requerirían presiones comparables a las del núcleo de la Tierra.

Los avances en la realización de experimentos de alta presión en muestras diminutas dentro de un yunque de diamante (y en la medición de sus resultados) condujeron a un gran avance en 2015, cuando el físico Mikhail Eremets del Instituto Max Planck de Química en Mainz, Alemania, y sus colaboradores Se demostró por primera vez la superconductividad en un superhidruro., sulfuro de hidrógeno. Desde entonces, los científicos han predicho la existencia de varios otros materiales superconductores de esta familia, algunos de los cuales ya se han encontrado, incluidos los basados ​​en calcio. estructuras en forma de jaula llamadas clatratos.

En la actualidad, se considera que el superconductor más “caliente” de cualquier tipo es decahidruro de lantanoun miembro de la clase de los superhidruros que ha demostrado ser un superconductor convencional de alta presión a temperaturas de hasta al menos 250 kelvin.

Simulaciones avanzadas

Eremets y otros dicen que la interacción de la teoría, la simulación, la síntesis de materiales y la experimentación ha sido crucial para el progreso. A principios de la década de 2000, las simulaciones permitieron predecir si un material con una determinada estructura cristalina y composición química podría ser un superconductor, y a qué temperaturas podría exhibir esta propiedad. Pero el siguiente gran cambio fue la introducción de algoritmos a finales de esa década que podían predecir no sólo las propiedades de un material, sino también qué materiales pueden formarse a partir de una determinada mezcla de elementos. “Hasta entonces, faltaba un aspecto crucial: entender si se puede formar un compuesto”, dice Boeri.

El descubrimiento en 2015 de que el sulfuro de hidrógeno es un superconductor coincidió con las simulaciones por computadora realizadas el año anterior. Sin rápidos avances en la predicción de estructuras, el descubrimiento de superconductores ricos en hidrógeno “probablemente no habría ocurrido hasta dentro de un siglo”, dice Artem Oganov, científico de materiales del Instituto Skolkovo de Ciencia y Tecnología de Moscú, pionero en algoritmos de predicción de estructuras. . Sus algoritmos “evolutivos”, en particular, encuentran la configuración de los átomos con la energía más baja (y, por lo tanto, la mejor oportunidad de formarse y permanecer estables) a una presión determinada.

Las simulaciones son especialmente cruciales para predecir el comportamiento de los materiales a altas presiones, bajo las cuales los átomos son empujados tan cerca unos de otros que comienzan a interactuar no sólo a través de sus electrones externos, sino también con los internos, echando por tierra el dogma de los libros de texto de química. la ventana. Un ejemplo de esto es el hexahidruro de litio, que sólo puede existir a altas presiones. “Cualquiera en la clase de química general te diría que algo como LiH₆ no puede ser estable”, dice Eva Zurek, química computacional de la Universidad de Buffalo en Nueva York.

Este artículo se reproduce con permiso y fue publicado por primera vez el 16 de noviembre de 2023.