Experimentos independientes no confirman el comportamiento de materiales que aun fuera de condiciones controladas serían capaces de conducir electricidad sin pérdida de energía
Los superconductores repelen campos magnéticos y generan el fenómeno de la levitación
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La temperatura sigue en aumento tanto dentro como fuera de los laboratorios abocados a la búsqueda de materiales superconductores, capaces de conducir la electricidad sin pérdida de energía en forma de calor, es decir, con resistencia cero. El 8 de marzo de este año, un equipo coordinado por el físico Ranga Dias, de la Universidad de Rochester, en Estados Unidos, publicó un artículo científico en la revista Nature en el que informaba acerca de la síntesis de lo que sería el primer superconductor a temperatura ambiente. Según dicho trabajo, el compuesto definido por la fórmula química LuNH – un material a base de lutecio, un metal de color blanco plateado, en combinación con nitrógeno e hidrógeno – presentaría resistencia cero a 294 kélvines (K), el equivalente a 21 grados Celsius (ºC).
El logro en cuestión, de momento, lejos de estar comprobado, tendría un potencial revolucionario. La totalidad de los superconductores disponibles hoy en día – instalados en los dispositivos de resonancia magnética, en el interior de los grandes aceleradores de partículas y en algunos trenes magnéticos de alta velocidad – funcionan solamente si son enfriados, a un alto costo, a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto (0 K). Estos valores equivalen a cientos de grados Celsius bajo cero.
El parámetro más importante de un superconductor se denomina temperatura crítica (Tc), un valor generalmente expresado en la escala Kelvin por debajo del cual un material ofrece nula resistencia al paso de una corriente eléctrica. En otras palabras, se convierte en un superconductor eléctrico. Otra característica determinante es su capacidad de repeler campos magnéticos, propiedad que puede utilizarse para producir el fenómeno de la levitación.
Es cierto que, según el estudio publicado en Nature, debía someterse al LuNH a una presión 10.000 veces superior a la de la atmósfera terrestre para que actuara como un conductor perfecto de la electricidad. Así y todo, desde el descubrimiento de la superconductividad en 1911 en el elemento mercurio a -269 ºC (4,15 K), nadie había planteado la existencia de un superconductor con una Tc tan alta. Nadie excepto el propio Dias en un artículo anterior, publicado en octubre de 2020, también en la revista Nature. En dicho trabajo, producido junto a colegas de la Universidad de Nevada y su equipo de Rochester, el físico afirmó que había producido un compuesto a base de carbono, hidrógeno y azufre que se tornaba superconductor a 15 ºC sometido a una presión 2,6 millones de veces superior a la de la atmósfera terrestre.
No hay pérdida de energía en forma de calor cuando la corriente eléctrica pasa a través de un superconductor
Seis meses después de su divulgación, el compuesto LuNH exhibe cada vez más fisuras en su pretendida reputación como material superconductor a temperatura ambiente. “Soy moderadamente escéptico al respecto de este material. En este campo de la ciencia, el primer resultado es provisional mientras no sea confirmado por otros laboratorios”, comenta el físico Wilson Ortiz, coordinador del grupo de superconductividad y magnetismo de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar). Ningún grupo de investigación independiente ha conseguido reproducir ni en laboratorio ni en un modelo por computadora el experimento que habría indicado su superconductividad a 21 ºC.
La situación del estudio anterior, de hace tres años, con el compuesto formado por carbono, hidrógeno y azufre, es aún más embarazosa. En septiembre del año pasado, la revista Nature retractó, a contrapelo de sus autores, el artículo publicado en sus páginas en 2020 por el equipo de Dias. “Tras la publicación [del artículo científico], surgieron dudas sobre la manera en que se procesaron y analizaron los datos de ese trabajo”, escribieron los editores de la revista en una nota en la que explicaban la decisión.
Por si fuera poco, en agosto de 2023, la prestigiosa revista Physical Review Letters (PRL), retractó otro artículo que el grupo de Dias y sus colegas de Nevada habían publicado en una de sus ediciones de 2021. El paper anulado no trataba específicamente sobre la superconductividad, sino de las propiedades eléctricas del disulfuro de manganeso (MnS2), que podía comportarse como un aislante o bien como un metal.
Cuatro equipos independientes de expertos examinaron el artículo publicado en PRL y expusieron “serias dudas” acerca de los datos presentados en una figura que mostraba las curvas de resistencia eléctrica del material, según el comunicado difundido por la revista al publicar la retractación. Los 10 autores del paper estuvieron de acuerdo con el veredicto de la revista, excepto Dias, quien recientemente ha evitado conceder entrevistas en referencia a sus trabajos.
J. Adam Fenster / Universidad de Rochester El físico Ranga Dias, de la Universidad de Rochester, quien afirma haber hallado superconductores a temperatura ambienteJ. Adam Fenster / Universidad de Rochester
Natural de Sri Lanka, Dias completó su doctorado en 2013 en la Universidad del Estado de Washington y realizó estudios posdoctorales en la Universidad Harvard antes de ser contratado como profesor por la Universidad de Rochester, en 2017. Junto al físico Ashkan Salamat, de la Universidad de Nevada, colaborador en muchos de sus estudios, Dias fundó en 2020 la empresa Unearthly Materials, dedicada a la comercialización de (supuestos) superconductores que funcionarían a temperatura ambiente y presiones modestas.
“El artículo más reciente del equipo de Ranga Dias no explica cabalmente la composición de ese material del sistema LuNH ni el método empleado para obtenerlo”, comenta el ingeniero de materiales Luiz Eleno, de la Escuela de Ingeniería de Lorena, de la Universidad de São Paulo (EEL-USP). En colaboración con investigadores de las universidades La Sapienza de Roma (Italia), de Cambridge (Reino Unido) y Tecnológica de Graz (Austria), Eleno y el ingeniero físico Pedro Ferreira, quien realiza un doctorado bajo su dirección, publicaron un estudio en la revista Nature Communications el 4 de septiembre en el que descartan cualquier posibilidad de que una combinación de los elementos lutecio, hidrógeno y nitrógeno puedan generar un material superconductor de características similares a las pretendidas por el grupo de Rochester.
El estudio en el que participaron los brasileños no fue de carácter experimental. No intentaron reproducir en laboratorio el mismo material ni los resultados presentados por Dias, tal como lo hicieron, también infructuosamente, algunos grupos internacionales. Se decantaron por realizar un abordaje con un modelo computacional en el que se diseña virtualmente un material y se procuran prever sus propiedades electrónicas y magnéticas, y otros parámetros mediante el empleo de conocimientos de la física del estado sólido y diversas técnicas informáticas modernas, como la inteligencia artificial y el aprendizaje automático.
De este modo, simulan diferentes condiciones de temperatura y presión para generar, en un clúster de computadoras, distintas versiones de cristales a partir de la combinación de los elementos químicos utilizados por el equipo de Rochester. El propósito final del experimento computacional era averiguar si algún compuesto elaborado con esa receta podría dar como resultado un material capaz de comportarse como un superconductor a temperatura ambiente.
En total, se simularon por computadora 200.000 compuestos con diferentes estructuras atómicas. Entre los poco más de 150 materiales que parecían ser estables cuando se los sometía al paso de determinada corriente eléctrica, el grupo identificó 52 que exhibían cierto potencial para comportarse como superconductores, ninguno de ellos a temperaturas cercanas a las temperaturas ambientes en las que viven los seres humanos. “El compuesto con las mejores cualidades podría transmitir, según las simulaciones, una corriente eléctrica sin pérdida de energía tan solo a 40 K, es decir, a -233,15 ºC, comenta Eleno.
Alexandre Affonso / Revista Pesquisa FAPESP
Fue un trabajo específico, que comenzó a idearse tan pronto como el artículo del grupo de Rochester apareció en las páginas de la revista Nature en marzo último. Por entonces, Ferreira cumplía una pasantía en la Universidad Tecnológica de Graz, en el equipo de Christoph Heil, e investigaba otro tema en el campo de la superconductividad. Pero ante el inusitado interés y las polémicas que suscitó el estudio del equipo de Dias, decidieron centrar sus esfuerzos en un estudio sobre el compuesto LuNH.
“Si realmente se tratara de un superconductor a temperatura ambiente, como decían ellos, estaríamos ante el descubrimiento científico del siglo”, comenta Ferreira, autor principal del estudio publicado en Nature Communications, quien realiza un doctorado con una beca de la FAPESP. “Es por esta razón que hicimos nuestro estudio a toda prisa. Sabíamos que los mayores grupos abocados a la búsqueda de nuevos materiales, especialmente los del área de los superconductores, harían lo mismo”.
La tan trillada y acaso pretenciosa metáfora de que la búsqueda de superconductores a altas temperaturas es el Santo Grial de la física – algo muy buscado pero que nadie ha podido encontrar – sigue siendo utilizada con frecuencia. Tal alegoría tiene sentido, aunque no faltan otros objetivos potencialmente revolucionarios en diversos campos de la ciencia, incluso en la propia física. El descubrimiento de un material que funcione como superconductor a temperatura (y presión) ambiente podría dinamizar nuevas aplicaciones en distintas áreas, tales como la computación cuántica, el transporte y la propia transmisión de la electricidad, como así también generar un ahorro energético sin igual.
“Actualmente se gasta mucho dinero en sistemas de refrigeración que utilizan helio líquido para mantener los superconductores por debajo de su Tc”, comenta el físico Pascoal Pagliuso, de la Universidad de Campinas (Unicamp), experto en física de la materia condensada. En teoría, una corriente eléctrica podría circular indefinidamente en un material superconductor, siempre que se mantengan las condiciones de temperatura y presión que propician la resistencia nula al paso de la electricidad. En un experimento llevado a cabo en el Reino Unido, se mantuvo la circulación de corriente eléctrica en un anillo superconductor durante dos años y medio, que solo se vio interrumpida debido a una huelga de camioneros, que retrasó el suministro del helio líquido necesario para mantener al material por debajo de su temperatura crítica.
Más allá de los problemas prácticos, hay cuestiones teóricas mal resueltas en la superconductividad a altas temperaturas. La teoría conocida como BCS sienta las bases para la comprensión del surgimiento del fenómeno de la resistencia eléctrica nula en los superconductores clásicos, que por lo general funcionan bajo condiciones extremadamente frías. Muestra cómo los átomos y los electrones vibran de manera coordinada en la red estructural de los cristales superconductores sin provocar una pérdida de energía ante el paso de la electricidad. “Pero para muchos superconductores cuya temperatura crítica es más elevada, no conocemos el mecanismo microscópico que daría lugar a la superconductividad y la BCS no puede explicar estos casos”, comenta Ortiz.
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESPLos dispositivos de resonancia magnética utilizan superconductores mantenidos a temperaturas extremadamente bajasLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
El paso o el bloqueo de la corriente eléctrica es un fenómeno cuántico y la explicación que se expone a continuación sintetiza este proceso. Los electrones, tal como su nombre lo indica, son las partículas encargadas de conducir la electricidad en el interior de los materiales. En el caso de los aislantes, estas partículas se encuentran tan cerca del núcleo de los átomos que les resulta imposible desplazarse y hacer que la corriente eléctrica fluya. En los materiales que conducen la electricidad pero no son superconductores, los electrones se mueven y consiguen transmitir solamente una parte de la corriente recibida.
Sin embargo, algunos de ellos colisionan con los núcleos de los átomos, cuya carga es positiva y atraen a los electrones, de carga negativa. Estas colisiones causan una pérdida de energía que se disipa bajo la forma de calor. “Es por ello que los hilos de un metal conductor como el cobre se calientan”, comenta el físico Mauro Doria, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), experto en superconductividad, magnetismo y fluidos. “Su resistencia al paso de la corriente no es nula”. Al menos un 15 % de la energía se disipa como calor en los materiales que transmiten la corriente eléctrica pero no de manera ideal como los superconductores.
Los trabajos de Ranga Dias no son los primeros en los cuales se afirma haber descubierto la superconductividad a temperatura ambiente. Varios grupos han planteado los mismo anteriormente, todos infructuosamente. En los últimos meses, a la par de los debates y la polémica al respecto de los estudios del grupo de Rochester, investigadores surcoreanos del Centro de Investigaciones en Energía Cuántica de Seúl publicaron − en julio último − un artículo en el repositorio arXiv, en formato de preprint, con una pretensión aún más espectacular: dijeron haber creado un material – un compuesto de cobre, plomo, fósforo y oxígeno denominado LK-99 – con nula resistencia al paso de la corriente eléctrica a temperatura y presión ambiente.
Aunque el trabajo generó bastante revuelo, ninguna revista aceptó publicarlo, dado que en opinión de muchos especialistas, carecía de rigor científico. “Incurrieron en errores de interpretación tanto en el texto como en las figuras que indicarían la existencia de la superconductividad”, dice Pagliuso. “Se condujeron en forma precipitada, como aficionados”. Cuando un compuesto alcanza la temperatura crítica a partir de la cual se convierte en un superconductor, su resistencia al paso de la corriente eléctrica cae abruptamente hasta llegar a cero. “El estudio de los surcoreanos registra un gran descenso repentino de la resistencia eléctrica, pero según los datos mostrados no parecía tornarse nula”.
Las dificultades para hallar materiales que permitan que la corriente eléctrica fluya totalmente libre, sin ningún grado de resistencia y en condiciones similares a las del ambiente natural, no en vano han llevado en cierta ocasión al físico argentino Elbio Dagotto, de la Universidad de Tennessee, a decir que la superconductividad a alta temperatura era “el Vietnam de la física teórica”.
BCS, una teoría que explica la superconductividad La interacción coordinada entre los electrones y los átomos permite el paso de la corriente eléctrica sin pérdidas de energía
Alexandre Affonso / Revista Pesquisa FAPESP
La teoría BCS (llamada así por las iniciales de los apellidos de sus impulsores) presentada en 1957 por los físicos estadounidenses John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper y John Schrieffer (1931-2019), es la mejor explicación científica disponible a la fecha sobre el mecanismo microscópico subyacente tras la superconductividad. Aunque actualmente no se la considera capaz de explicar los mecanismos que hacen posible la transmisión de la electricidad a temperaturas más altas con resistencia nula en materiales que se comportan como superconductores, este postulado de mediados del siglo pasado introduce un concepto fundamental para la comprensión general de este fenómeno cuántico: la formación de los llamados pares de Cooper.
Se trata de la unión contraintuitiva de pares de electrones que, en determinados materiales y bajo ciertas condiciones propicias, tales como las temperaturas cercanas al cero absoluto [0 K o -273,15 ºC] o altísimas presiones, permite el paso de una corriente eléctrica sin pérdida de energía. Como poseen carga negativa, los electrones no deberían atraerse, sino repelerse. No obstante, cuando un material presenta superconductividad, los pares de electrones que fluyen en el interior de una estructura cristalina se aproximan bastante entre sí (empero, sin llegar unirse ni colisionar) y pasan a interactuar juntos, como una cuasipartícula, con los átomos del material, que poseen carga positiva.
Los pares de Cooper se desplazan en forma ordenada en un juego de acercamiento y distanciamiento de los átomos –una vibración o excitación colectiva denominada fonón – y recorren la malla estructural del material cristalino sin que se produzcan colisiones. A grandes rasgos, las colisiones de los electrones con los núcleos de los átomos son las que provocan que los materiales conductores o semiconductores de la electricidad, como los cables de cobre o los chips de silicio, disipen parte de su energía en forma de calor. “La teoría BCS describe cabalmente la superconductividad, pero no explica cómo se forman concretamente los pares de Cooper en los superconductores a altas temperaturas”, comenta el físico Pascoal Pagliuso, de la Unicamp. Hoy en día, existe prácticamente un consenso en que, más allá de la BCS, por la que su trío de formuladores recibió el Premio Nobel de Física en 1972, es necesario desarrollar nuevas teorías tendientes a explicar la aparición de la superconductividad a temperaturas más elevadas.
Proyecto Estudio ab initio de sistemas superconductores y topológicos (nº 20/08258-0); Modalidad Beca doctoral; Investigador responsable Luiz Tadeu Fernandes Eleno (USP); Becario Pedro Pires Ferreira; Inversión R$ 384.888,43.
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