Se acaba de observar una característica crucial de la superconductividad a temperaturas mucho más altas de lo que los científicos creían posible.
Los físicos han descubierto que los electrones se aparean de la misma manera que lo hacen en los materiales superconductores en un material inesperado, por encima de las temperaturas increíblemente frías a las que materiales similares permiten que se produzca la superconductividad.
La superconductividad describe la forma en que los electrones se mueven a través de un material sin ninguna resistencia y la consiguiente pérdida de energía. Hemos observado este fenómeno en muchos materiales diferentes, pero hay un problema. Parece que solo podemos lograrlo a temperaturas extremadamente bajas, cercanas a cero absoluto (-273,15 grados Celsius, o -460 grados Fahrenheit), o temperaturas ligeramente menos frías con mucha presión.
Aunque los electrones en los materiales recientemente probados no lograron un flujo sin resistencia, su emparejamiento es un paso crítico necesario para que esto ocurra, lo que potencialmente conducirá a una superconductividad que no necesitará grandes equipos.
“Los pares de electrones nos están diciendo que están listos para ser superconductores, pero algo los detiene”, dice el físico Ke-Jun Xu de la Universidad de Stanford. “Si podemos encontrar un nuevo método para sincronizar los pares, podríamos aplicarlo a la posible construcción de superconductores de mayor temperatura”.
El material es un cristal estratificado a base de cobre, o cuprato, llamado óxido de neodimio, cerio y cobre (Nd2−x
Ahora bien, para que se active la superconductividad, los electrones necesitan que su identidad cuántica se enrede, convirtiéndose en lo que se conoce como Par de CooperSólo así podrán avanzar sin problemas por el bosque atómico y sin ningún esfuerzo.
Los superconductores convencionales, que exhiben superconductividad por debajo de unos 25 Kelvin (-248 grados Celsius o -415 grados Fahrenheit), entrelazan sus electrones a través de vibraciones en el material subyacente.
Los cupratos son superconductores no convencionales que presentan superconductividad a temperaturas de hasta 130 Kelvin. Los científicos creen que existe otro mecanismo responsable del apareamiento de electrones en estos materiales, aunque el proceso exacto aún no está del todo claro.
El óxido de neodimio, cerio y cobre que estudiaron Xu y su equipo es como un superconductor convencional en el sentido de que no presenta el fenómeno por encima de los 25 Kelvin, lo que les permite estudiar las etapas de la superconductividad. A medida que los electrones se entrelazan, son menos resistentes a ser expulsados del material a medida que aumenta la temperatura; es decir, el material pierde energía a un ritmo menor. Esto se conoce como brecha de apareamiento.
El equipo observó que su material retenía más energía a temperaturas de hasta 140 Kelvin (-133 grados Celsius o -207 grados Fahrenheit), mucho más altas que la temperatura de transición de superconductividad de 25 Kelvin. Esto sugiere que los electrones forman pares de Cooper a temperaturas relativamente altas.
Aún no está claro qué induce el emparejamiento. Y es posible que el material específico no sea el que nos lleve a la superconductividad a temperatura ambiente. Pero podría ser un medio para encontrar ambas respuestas, y el material, en el futuro.
La superconductividad a temperatura ambiente es un tema de gran importancia. Imaginemos una eficiencia energética del 100 por ciento: podríamos reducir el tamaño de los circuitos necesarios para transportar electrones, concentrando más energía en un espacio más pequeño para lograr una tecnología más rápida y más barata.
Pero descifrar el código ha sido muy difícil. Hemos tenido algunos avances, como el muy publicitado LK-99, pero ninguno de ellos ha servido para nada.
Es probable que el progreso sea más gradual: por ejemplo, observar algunas de las características de la superconductividad en materiales de mayor temperatura, descubrir por qué ocurre y avanzar paso a paso minuciosamente.
“Nuestros hallazgos abren un nuevo camino potencialmente rico hacia adelante”, dice el físico Zhi-Xun Shen de la Universidad de Stanford.
“En el futuro, tenemos previsto estudiar esta brecha de emparejamiento para ayudar a diseñar superconductores utilizando nuevos métodos. Por un lado, tenemos previsto utilizar enfoques experimentales similares en SSRL para obtener más información sobre este estado de emparejamiento incoherente. Por otro lado, queremos encontrar formas de manipular estos materiales para, tal vez, obligar a estos pares incoherentes a sincronizarse”.
La investigación ha sido publicada en Ciencia.