Superconductividad a tope

A finales de junio llegó la prueba que faltaba, prueba de que era una auténtica superconductividad. Lo que confirma que alcanzaron la superconductividad a la temperatura más alta de la historia, casi 40 grados más que la más alta anterior. Tras 30 años de temple, el tema de la superconductividad se volvió a poner incandescente.

El tema comenzó a calentarse en diciembre del año pasado, cuando tres investigadores de Max Planck publicaron en arXiv el sulfuro de hidrógeno a alta presión, superconductor en 190 K (-83 ºC). Fue el mayor hallazgo desde que en 1986 se descubrieron superconductores a alta temperatura. La comunidad científica tomó la noticia con prudencia. En aquel primer experimento se descubrió la desaparición de la resistencia eléctrica, pero no pudieron demostrar la segunda característica de la superconductividad: la expulsión de un campo magnético (efecto Meissner).

Los investigadores de Max Planck se unieron a otros dos físicos de la Universidad de Mainz para preparar un segundo experimento para observar el efecto Meissner. Y el resultado fue en junio: El efecto Meissner también estaba ahí. En este caso, la superconductividad se obtuvo a 203 K (-70ºC). Además, dejaron su muestra a un grupo japonés que también confirmó su superconductividad.

Ahora se han publicado los resultados en la revista Nature, lo que confirma que las pruebas son sólidas. Sin embargo, los físicos teóricos empezaron a comprender lo sucedido en aquel experimento en el mes de diciembre, nada más sacar los resultados. Uno de ellos fue el donostiarra Ion Errea Lope. “La superconductividad y la alta presión siempre han sido mis temas”, afirma Errea. Realizó su tesis y posteriormente desarrolló un método computacional en la Universidad Pierre de París y Marie Curie, que ahora le viene muy bien para explicar el experimento de los Max Planck: “cuando vimos los resultados, pensamos que nosotros teníamos una buena herramienta teórica para afrontar este problema, y así ha sido”. La revista Physical Review Letters publicó su trabajo en abril.

Gran reto

“Uno de los grandes retos que tenemos en Física”, para Errea, es la superconductividad. Y el reto es doble: por un lado, alcanzar la temperatura ambiente es un reto práctico y, por otro, un reto teórico, comprender bien la superconductividad. “El reto teórico es enorme. Imagínate que han pasado más de cien años desde que se encontró y todavía no tenemos una explicación completa. Eso demuestra lo complejo que es, es algo muy especial”.

Ion Errea Lope, investigador del Donostia International Physics Center y profesor del Departamento de Física Aplicada de la UPV.

En 1911 el holandés Heike Kamerlingh Onnes descubrió por primera vez este fenómeno especial. Tres años antes consiguió licuar el helio, lo que abrió las puertas de la física de baja temperatura. Durante los experimentos con el helio se sorprendió al ver que al poner el mercurio a 4,19 K (-268,96 ºC) la resistencia eléctrica bajaba casi a cero de repente. Y al subir a 4,20K se volvía a mostrar la resistencia del material. A Onnes le llamó Supraeroestacionalidad y dos años más tarde recibió el Premio Nobel de Física.

Casi medio siglo tardó en encontrar una explicación a este sorprendente fenómeno. Está claro que no es fácil. Los físicos conocen bien los componentes del sistema: “en la interacción coulombiana entre unos electrones y algunos iones (núcleos atómicos), no es nada más”, explica Errea. Pero lo cierto es que son muchos electrones y iones. “En un gramo de materia hay unos 10 23 átomos. Son tantos electrones e iones que se producen fenómenos colectivos muy especiales. Para explicar estos fenómenos debemos describir la interacción de muchos electrones e iones, lo que es muy difícil. Son fenómenos raros, que no se esperan, y la superconductividad es el mayor exponente de esta complejidad”.

John Bardenen, Leon Cooper y Robert Schrieffer explicaron en 1957 la teoría BCS. Y en 1972 recibió el Premio Nobel de Física. “La teoría BCS está muy aceptada. Explica bien el mercurio, el aluminio y la superconductividad observada en este tipo de metales”, explica Errea. “La teoría se basa en la interacción electrofonón-fonón. Los fonones son los cuánticos de las oscilaciones de los átomos, es decir, en definitiva, la energía de las vibraciones de los átomos (que nunca permanecen parados). La teoría BCS dice que mediante la interacción electrofonón pueden formarse pares de electrones”. Los electrones en sí mismos se comparan entre sí debido a la coulombiana (carga negativa), pero la influencia de los fonones puede provocar que los electrones se atraigan y formen pares: Pares Cooper. Y los pares Cooper pueden transportar corriente eléctrica sin pérdida alguna, es decir, sin resistencia.

“La cuestión es que esta teoría ha sido muy útil para comprender la superconductividad de muchos metales, pero los superconductores a alta temperatura que se descubrieron en la década de los 80 no se pueden explicar de ninguna manera a través de esta teoría”, explica Errea.

En 1986, J. Georg Bednorz y K. Alex. Los muelles encontraron superconductores de primera alta temperatura (35K, -238ºC). Al año siguiente les entregaron el premio Nobel de Física. Pero “han pasado 30 años y todavía no tenemos teorías para explicar esos superconductores”, ha subrayado Errea. “Hay varias propuestas: algunas proponen que la fluctuación de spines, en lugar de fonones, puede ser la que provoca el acoplamiento; otras todavía dicen que los fonones pueden estar relacionados; etc. Pero no sabemos. Quien lo aclara va directamente a Estocolmo”.

Salto a alta temperatura

Detector ATLAS del acelerador LHC. En estos ocho tubos se encuentran los imanes superconductores más grandes jamás construidos. Ed. © CERN

La de 1986 fue una gran sorpresa. Por un lado, no se esperaba encontrar superconductividad en materiales como los cupratos, y por otro lado, el aumento de temperatura era considerable. Aunque el inicial fue a 35K (-238ºC), enseguida consiguieron subir a 90K (-183 ºC) y luego a más, la temperatura más alta alcanzada con los cupratos es de 133 K (-140ºC) a presión ambiente y 164 K (-109ºC) a alta presión. “Teniendo en cuenta que los metales más altos obtenidos son 10-20 K, las temperaturas son muy altas”, ha comparado Errea. Además, entran a la temperatura del nitrógeno líquido (77 K, -196 ºC). “La generación de nitrógeno líquido es relativamente sencilla en la actualidad y puede convertir estos materiales en superconductores utilizando nitrógeno líquido. Eso es una gran ventaja”.

“El problema es que estos cupratos son materiales muy complejos con los que no es fácil trabajar. Ahora, sin embargo, la nueva marca se ha conseguido con un compuesto muy común, el sulfuro de hidrógeno (H 2 S)”. Se trata de un gas con olor a huevos podridos a temperatura ambiente, presente en volcanes y en el gas natural, y producido también por bacterias en la descomposición de la materia orgánica sin oxígeno. Sin embargo, cuando se somete a una presión muy alta, este gas normal se convierte en metal, que ahora se ha demostrado como superconductor a una temperatura muy alta.

“Este descubrimiento puede ser tan revolucionario como el de 1986, por un lado porque la temperatura de superconductividad más alta que se ha medido jamás, y por otro, porque en este caso la superconductividad se debe a la interacción del fonón de electrones”, explica Errea. “Es decir, la teoría BCS sirve para explicar esto. La gente había perdido la esperanza de alcanzar altas temperaturas con los fonones de electrones superconductores. El mejor fonón superconductor que teníamos era el diboruro de magnesio (descubierto en 2002), que necesitaba 40 K (-230 ºC). ¡Y ahora de repente subimos a 200K (-70ºC)! El problema es que se necesita una presión muy alta, pero quizá nos muestre cuál es el camino para obtener mejores materiales superconductores. Ahora sabemos que igual podemos encontrar unos buenos fonones superconductores. Creo que eso es lo más importante”.

Predicciones teóricas

En realidad, hace tiempo que se había anunciado que un sistema con alto contenido en hidrógeno podía ser superconductor a alta presión a alta temperatura. Fue propuesto en 1968 por el físico Neil Ashcroft en un artículo corto. Y en 2014, Yinwei Li y sus compañeros anunciaron que el sulfuro de hidrógeno podía ser un superconductor a alta presión (-193 ºC). “Esto demuestra que los cálculos teóricos tienen capacidad para predecir nuevos superconductores, lo que es muy interesante”, ha precisado Errea.

Y hay más predicciones. “A alta presión, en los compuestos ricos en hidrógeno las temperaturas son muy altas, pero esta es la primera prueba experimental. En cualquier caso, creo que podemos tener esperanza en que pronto se mida la superconductividad a temperatura ambiente, aunque sea a alta presión. Luego, si todo lo que estamos aprendiendo a una presión muy alta va a ser útil para conseguir un material superconductor a presión ambiental, eso no sé, igual es decir demasiado, pero uno sabe. En cualquier caso, merece un esfuerzo”.

El tren japonés SC Maggi levita gracias a imanes superconductores. Un tren de este tipo rompió en abril el récord de velocidad en 603 km/h. Ed. Steve Kwak, Maryland Governors office/CC-BY-ND 3.0

De hecho, las posibles aplicaciones de los superconductores a temperatura ambiente podrían ser importantes. Quizás lo más evidente sea el transporte de electricidad. En la actualidad, el 8-15% de la electricidad transportada por cables se pierde en forma de calor por resistencia. “Si tuviéramos cables superconductores, no tendríamos pérdida –explica Erreak–, lo que tendría una gran influencia”.

Sin embargo, ya existe una industria de superconductores. Sirven para la realización de imanes muy potentes, que se utilizan en hospitales para obtener imágenes por resonancia magnética o en aceleradores de partículas para acelerar tanto las partículas. Estos imanes también son apropiados para la fabricación de los trenes levitados (trenes maggi). Estos trenes se encuentran en fase de prueba en Japón, y uno de ellos rompió el récord de velocidad de los trenes en abril con 603 km/h.

También se han dado los primeros pasos con los cables superconductores para transportar electricidad. Colocados en un par de lugares en Nueva York, el más largo, de un kilómetro, fue puesto el año pasado en la ciudad alemana de Essen.

Pero, como dice Erre, “seguro que los que pueden venir son mucho más interesantes de lo que podemos predecir. A quien desarrolló el láser tampoco se le habría pasado por la cabeza que en algún momento se utilizaría para operar los ojos”. Y quizás para ello no tengamos que esperar superconductores a temperatura ambiente. “Si se desarrolla la tecnología y se consigue abaratar las cosas, podemos empezar a dar más aplicaciones a los superconductores que hay hoy. Creo que, con lo que ya sabemos, se puede desarrollar mucha tecnología”.

Sin embargo, el físico donostiarra tiene claro cuál es el siguiente gran reto: “el mayor reto es explicar el mecanismo teórico de la superconductividad de los cupratos. Este camino no está agotado. De hecho, si le dijéramos una explicación, quizá entenderíamos cómo aumentar la temperatura. Es por ello que tiene mucho interés. Mucha gente ha intentado explicarlo y han fracasado. Pero alguna vez llegará, no sé cuándo, pero llegará”.