Superconductivitat de gom a gom

A la fi de juny va arribar la prova que faltava, prova que era una autèntica superconductivitat. El que confirma que van aconseguir la superconductivitat a la temperatura més alta de la història, gairebé 40 graus més que la més alta anterior. Després de 30 anys de tremp, el tema de la superconductivitat es va tornar a posar incandescent.

El tema va començar a escalfar-se al desembre de l'any passat, quan tres investigadors de Max Planck van publicar en arXiv el sulfur d'hidrogen a alta pressió, superconductor en 190 K (-83 °C). Va ser la major troballa des que en 1986 es van descobrir superconductors a alta temperatura. La comunitat científica va prendre la notícia amb prudència. En aquell primer experiment es va descobrir la desaparició de la resistència elèctrica, però no van poder demostrar la segona característica de la superconductivitat: l'expulsió d'un camp magnètic (efecte Meissner).

Els investigadors de Max Planck es van unir a altres dos físics de la Universitat de Magúncia per a preparar un segon experiment per a observar l'efecte Meissner. I el resultat va ser al juny: L'efecte Meissner també era aquí. En aquest cas, la superconductivitat es va obtenir a 203 K (-70 °C). A més, van deixar la seva mostra a un grup japonès que també va confirmar la seva superconductivitat.

Ara s'han publicat els resultats en la revista Nature, la qual cosa confirma que les proves són sòlides. No obstant això, els físics teòrics van començar a comprendre el succeït en aquell experiment el mes de desembre, res més treure els resultats. Un d'ells va ser el donostiarra Ió Errea Lope. “La superconductivitat i l'alta pressió sempre han estat els meus temes”, afirma Errea. Va realitzar la seva tesi i posteriorment va desenvolupar un mètode computacional en la Universitat Pierre de París i Marie Curie, que ara li ve molt bé per a explicar l'experiment dels Max Planck: “quan vam veure els resultats, pensem que nosaltres teníem una bona eina teòrica per a afrontar aquest problema, i així ha estat”. La revista Physical Review Letters va publicar el seu treball a l'abril.

Gran repte

“Un dels grans reptes que tenim en Física”, per a Errea, és la superconductivitat. I el repte és doble: d'una banda, aconseguir la temperatura ambient és un repte pràctic i, per un altre, un repte teòric, comprendre bé la superconductivitat. “El repte teòric és enorme. Imagina't que han passat més de cent anys des que es va trobar i encara no tenim una explicació completa. Això demostra el complex que és, és una cosa molt especial”.

Ió Errea Lope, investigador del Donostia International Physics Center i professor del Departament de Física Aplicada de la UPV.

En 1911 l'holandès Heike Kamerlingh Onnes va descobrir per primera vegada aquest fenomen especial. Tres anys abans va aconseguir liquar l'heli, la qual cosa va obrir les portes de la física de baixa temperatura. Durant els experiments amb l'heli es va sorprendre en veure que en posar el mercuri a 4,19 K (-268,96 °C) la resistència elèctrica baixava gairebé a zero de sobte. I en pujar a 4,20K es tornava a mostrar la resistència del material. A Onnes li va cridar Supraeroestacionalidad i dos anys més tard va rebre el Premi Nobel de Física.

Gairebé mig segle va trigar a trobar una explicació a aquest sorprenent fenomen. És clar que no és fàcil. Els físics coneixen bé els components del sistema: “en la interacció coulombiana entre uns electrons i alguns ions (nuclis atòmics), no és res més”, explica Errea. Però la veritat és que són molts electrons i ions. “En un gram de matèria hi ha uns 10 23 àtoms. Són tants electrons i ions que es produeixen fenòmens col·lectius molt especials. Per a explicar aquests fenòmens hem de descriure la interacció de molts electrons i ions, la qual cosa és molt difícil. Són fenòmens estranys, que no s'esperen, i la superconductivitat és el major exponent d'aquesta complexitat”.

John Bardenen, Leon Cooper i Robert Schrieffer van explicar en 1957 la teoria BCS. I en 1972 va rebre el Premi Nobel de Física. “La teoria BCS està molt acceptada. Explica bé el mercuri, l'alumini i la superconductivitat observada en aquesta mena de metalls”, explica Errea. “La teoria es basa en la interacció electrofonón-fonó. Els fonons són els quàntics de les oscil·lacions dels àtoms, és a dir, en definitiva, l'energia de les vibracions dels àtoms (que mai romanen aturats). La teoria BCS diu que mitjançant la interacció electrofonón poden formar-se paris d'electrons”. Els electrons en si mateixos es comparen entre sí que a causa de la coulombiana (càrrega negativa), però la influència dels fonons pot provocar que els electrons s'atreguin i formin parells: Parells Cooper. I els parells Cooper poden transportar corrent elèctric sense cap pèrdua, és a dir, sense resistència.

“La qüestió és que aquesta teoria ha estat molt útil per a comprendre la superconductivitat de molts metalls, però els superconductors a alta temperatura que es van descobrir en la dècada dels 80 no es poden explicar de cap manera a través d'aquesta teoria”, explica Errea.

En 1986, J. Georg Bednorz i K. Alex. Els molls van trobar superconductors de primera alta temperatura (35K, -238 °C). A l'any següent els van lliurar el premi Nobel de Física. Però “han passat 30 anys i encara no tenim teories per a explicar aquests superconductors”, ha subratllat Errea. “Hi ha diverses propostes: algunes proposen que la fluctuació de spines, en lloc de fonons, pot ser la que provoca l'acoblament; unes altres encara diuen que els fonons poden estar relacionats; etc. Però no sabem. Qui ho aclareix va directament a Estocolm”.

Salt a alta temperatura

Detector ATLES de l'accelerador LHC. En aquests vuit tubs es troben els imants superconductors més grans mai construïts. Ed. © CERN

La de 1986 va ser una gran sorpresa. D'una banda, no s'esperava trobar superconductivitat en materials com els cupratos, i d'altra banda, l'augment de temperatura era considerable. Encara que l'inicial va ser a 35K (-238 °C), de seguida van aconseguir pujar a 90K (-183 °C) i després a més, la temperatura més alta aconseguida amb els cupratos és de 133 K (-140 °C) a pressió ambienti i 164 K (-109 °C) a alta pressió. “Tenint en compte que els metalls més alts obtinguts són 10-20 K, les temperatures són molt altes”, ha comparat Errea. A més, entren a la temperatura del nitrogen líquid (77 K, -196 °C). “La generació de nitrogen líquid és relativament senzilla en l'actualitat i pot convertir aquests materials en superconductors utilitzant nitrogen líquid. Això és un gran avantatge”.

“El problema és que aquests cupratos són materials molt complexos amb els quals no és fàcil treballar. Ara, no obstant això, la nova marca s'ha aconseguit amb un compost molt comú, el sulfur d'hidrogen (H 2 S)”. Es tracta d'un gas amb olor d'ous podrits a temperatura ambient, present en volcans i en el gas natural, i produït també per bacteris en la descomposició de la matèria orgànica sense oxigen. No obstant això, quan se sotmet a una pressió molt alta, aquest gas normal es converteix en metall, que ara s'ha demostrat com a superconductor a una temperatura molt alta.

“Aquest descobriment pot ser tan revolucionari com el de 1986, d'una banda perquè la temperatura de superconductivitat més alta que s'ha mesurat mai, i per un altre, perquè en aquest cas la superconductivitat es deu a la interacció del fonó d'electrons”, explica Errea. “És a dir, la teoria BCS serveix per a explicar això. La gent havia perdut l'esperança d'aconseguir altes temperatures amb els fonons d'electrons superconductors. El millor fonó superconductor que teníem era el diboruro de magnesi (descobert en 2002), que necessitava 40 K (-230 °C). I ara de sobte pugem a 200K (-70 °C)! El problema és que es necessita una pressió molt alta, però potser ens mostra quin és el camí per a obtenir millors materials superconductors. Ara sabem que igual podem trobar uns bons fonons superconductors. Crec que això és el més important”.

Prediccions teòriques

En realitat, fa temps que s'havia anunciat que un sistema amb alt contingut en hidrogen podia ser superconductor a alta pressió a alta temperatura. Va ser proposat en 1968 pel físic Neil Ashcroft en un article curt. I en 2014, Yinwei Li i els seus companys van anunciar que el sulfur d'hidrogen podia ser un superconductor a alta pressió (-193 °C). “Això demostra que els càlculs teòrics tenen capacitat per a predir nous superconductors, la qual cosa és molt interessant”, ha precisat Errea.

I hi ha més prediccions. “A alta pressió, en els compostos rics en hidrogen les temperatures són molt altes, però aquesta és la primera prova experimental. En qualsevol cas, crec que podem tenir esperança en què aviat es mesuri la superconductivitat a temperatura ambient, encara que sigui a alta pressió. Després, si tot el que estem aprenent a una pressió molt alta serà útil per a aconseguir un material superconductor a pressió ambiental, això no sé, igual és a dir massa, però un sap. En qualsevol cas, mereix un esforç”.

El tren japonès SC Maggi levita gràcies a imants superconductors. Un tren d'aquest tipus va trencar a l'abril el rècord de velocitat en 603 km/h. Ed. Steve Kwak, Maryland Governors office/CC-BY-ND 3.0

De fet, les possibles aplicacions dels superconductors a temperatura ambient podrien ser importants. Potser el més evident és el transport d'electricitat. En l'actualitat, el 8-15% de l'electricitat transportada per cables es perd en forma de calor per resistència. “Si tinguéssim cables superconductors, no tindríem pèrdua –explica Erreak–, la qual cosa tindria una gran influència”.

No obstant això, ja existeix una indústria de superconductors. Serveixen per a la realització d'imants molt potents, que s'utilitzen en hospitals per a obtenir imatges per ressonància magnètica o en acceleradors de partícules per a accelerar tant les partícules. Aquests imants també són apropiats per a la fabricació dels trens levitats (trens maggi). Aquests trens es troben en fase de prova al Japó, i un d'ells va trencar el rècord de velocitat dels trens a l'abril amb 603 km/h.

També s'han fet els primers passos amb els cables superconductors per a transportar electricitat. Col·locats en un parell de llocs a Nova York, el més llarg, d'un quilòmetre, va ser posat l'any passat a la ciutat alemanya d'Essen.

Però, com diu Erra, “segur que els que poden venir són molt més interessants del que podem predir. A qui va desenvolupar el làser tampoc se li hauria passat pel cap que en algun moment s'utilitzaria per a operar els ulls”. I potser per a això no hem d'esperar superconductors a temperatura ambient. “Si es desenvolupa la tecnologia i s'aconsegueix abaratir les coses, podem començar a donar més aplicacions als superconductors que hi ha avui. Crec que, amb el que ja sabem, es pot desenvolupar molta tecnologia”.

No obstant això, el físic donostiarra té clar quin és el següent gran repte: “el major repte és explicar el mecanisme teòric de la superconductivitat dels cupratos. Aquest camí no està esgotat. De fet, si li diguéssim una explicació, potser entendríem com augmentar la temperatura. És per això que té molt interès. Molta gent ha intentat explicar-ho i han fracassat. Però alguna vegada arribarà, no sé quan, però arribarà”.