Superconductividad a lume de biqueira

A finais de xuño chegou a proba que faltaba, proba de que era una auténtica superconductividad. O que confirma que alcanzaron a superconductividad á temperatura máis alta da historia, case 40 graos máis que a máis alta anterior. Tras 30 anos de amorne, o tema da superconductividad volveuse a pór incandescente.

O tema comezou a quentarse en decembro do ano pasado, cando tres investigadores de Max Planck publicaron en arXiv o sulfuro de hidróxeno a alta presión, superconductor en 190 K (-83 ºC). Foi o maior achado desde que en 1986 descubríronse superconductores a alta temperatura. A comunidade científica tomou a noticia con prudencia. Naquel primeiro experimento descubriuse a desaparición da resistencia eléctrica, pero non puideron demostrar a segunda característica da superconductividad: a expulsión dun campo magnético (efecto Meissner).

Os investigadores de Max Planck uníronse a outros dous físicos da Universidade de Mainz paira preparar un segundo experimento paira observar o efecto Meissner. E o resultado foi en xuño: O efecto Meissner tamén estaba aí. Neste caso, a superconductividad obtívose a 203 K (-70ºC). Ademais, deixaron a súa mostra a un grupo xaponés que tamén confirmou o seu superconductividad.

Agora publicáronse os resultados na revista Nature, o que confirma que as probas son sólidas. Con todo, os físicos teóricos empezaron a comprender o sucedido naquel experimento no mes de decembro, nada máis sacar os resultados. Un deles foi o donostiarra Ion Errea Lope. “A superconductividad e a alta presión sempre foron os meus temas”, afirma Errea. Realizou a súa tese e posteriormente desenvolveu un método computacional na Universidade Pierre de París e Marie Curie, que agora lle vén moi ben paira explicar o experimento dos Max Planck: “cando vimos os resultados, pensamos que nós tiñamos una boa ferramenta teórica paira afrontar este problema, e así foi”. A revista Physical Review Letters publicou o seu traballo en abril.

Gran reto

“Un dos grandes retos que temos en Física”, paira Errea, é a superconductividad. E o reto é dobre: por unha banda, alcanzar a temperatura ambiente é un reto práctico e, por outro, un reto teórico, comprender ben a superconductividad. “O reto teórico é enorme. Imaxínache que pasaron máis de cen anos desde que se atopou e aínda non temos una explicación completa. Iso demostra o complexo que é, é algo moi especial”.

Ion Errea Lope, investigador do Donostia International Physics Center e profesor do Departamento de Física Aplicada da UPV.

En 1911 o holandés Heike Kamerlingh Onnes descubriu por primeira vez este fenómeno especial. Tres anos antes conseguiu licuar o helio, o que abriu as portas da física de baixa temperatura. Durante os experimentos co helio sorprendeuse ao ver que ao pór o mercurio a 4,19 K (-268,96 ºC) a resistencia eléctrica baixaba case a cero de súpeto. E ao subir a 4,20K volvíase a mostrar a resistencia do material. A Onnes chamoulle Supraeroestacionalidad e dous anos máis tarde recibiu o Premio Nobel de Física.

Case medio século tardou en atopar una explicación a este sorprendente fenómeno. Está claro que non é fácil. Os físicos coñecen ben os compoñentes do sistema: “na interacción coulombiana entre uns electróns e algúns iones (núcleos atómicos), non é nada máis”, explica Errea. Pero o certo é que son moitos electróns e iones. “Nun gramo de materia hai uns 10 23 átomos. Son tantos electróns e iones que se producen fenómenos colectivos moi especiais. Paira explicar estes fenómenos debemos describir a interacción de moitos electróns e iones, o que é moi difícil. Son fenómenos raros, que non se esperan, e a superconductividad é o maior expoñente desta complexidade”.

John Bardenen, Leon Cooper e Robert Schrieffer explicaron en 1957 a teoría BCS. E en 1972 recibiu o Premio Nobel de Física. “A teoría BCS está moi aceptada. Explica ben o mercurio, o aluminio e a superconductividad observada neste tipo de metais”, explica Errea. “A teoría baséase na interacción electrofonón-fonón. Os fonones son os cuánticos das oscilacións dos átomos, é dicir, en definitiva, a enerxía das vibracións dos átomos (que nunca permanecen parados). A teoría BCS di que mediante a interacción electrofonón poden formarse pares de electróns”. Os electróns en si mesmos compáranse entre si debido á coulombiana (carga negativa), pero a influencia dos fonones pode provocar que os electróns se atraian e formen pares: Pares Cooper. E párelos Cooper poden transportar corrente eléctrica sen perda algunha, é dicir, sen resistencia.

“A cuestión é que esta teoría foi moi útil paira comprender a superconductividad de moitos metais, pero os superconductores a alta temperatura que se descubriron na década dos 80 non se poden explicar de ningunha maneira a través desta teoría”, explica Errea.

En 1986, J. Georg Bednorz e K. Alex. Os peiraos atoparon superconductores de primeira alta temperatura (35K, -238ºC). Ao ano seguinte entregáronlles o premio Nobel de Física. Pero “pasaron 30 anos e aínda non temos teorías paira explicar eses superconductores”, subliñou Errea. “Hai varias propostas: algunhas propoñen que a fluctuación de spines, en lugar de fonones, pode ser a que provoca o axuste; outras aínda din que os fonones poden estar relacionados; etc. Pero non sabemos. Quen o aclara vai directamente a Estocolmo”.

Salto a alta temperatura

Detector ATLAS do acelerador LHC. Nestes oito tubos atópanse os imáns superconductores máis grandes xamais construídos. Ed. © CERN

A de 1986 foi una gran sorpresa. Por unha banda, non se esperaba atopar superconductividad en materiais como os cupratos, e doutra banda, o aumento de temperatura era considerable. Aínda que o inicial foi a 35K (-238ºC), enseguida conseguiron subir a 90K (-183 ºC) e logo a máis, a temperatura máis alta alcanzada cos cupratos é de 133 K (-140ºC) a presión ambiente e 164 K (-109ºC) a alta presión. “Tendo en conta que os metais máis altos obtidos son 10-20 K, as temperaturas son moi altas”, comparou Errea. Ademais, entran á temperatura do nitróxeno líquido (77 K, -196 ºC). “A xeración de nitróxeno líquido é relativamente sinxela na actualidade e pode converter estes materiais en superconductores utilizando nitróxeno líquido. Iso é una gran vantaxe”.

“O problema é que estes cupratos son materiais moi complexos cos que non é fácil traballar. Agora, con todo, a nova marca conseguiuse cun composto moi común, o sulfuro de hidróxeno (H 2 S)”. Trátase dun gas con cheiro a ovos podrecidos a temperatura ambiente, presente en volcáns e no gas natural, e producido tamén por bacterias na descomposición da materia orgánica sen osíxeno. Con todo, cando se somete a unha presión moi alta, este gas normal convértese en metal, que agora se demostrou como superconductor a unha temperatura moi alta.

“Este descubrimento pode ser tan revolucionario como o de 1986, por unha banda porque a temperatura de superconductividad máis alta que se mediu xamais, e por outro, porque neste caso a superconductividad débese á interacción do fonón de electróns”, explica Errea. “É dicir, a teoría BCS serve paira explicar isto. A xente perdera a esperanza de alcanzar altas temperaturas cos fonones de electróns superconductores. O mellor fonón superconductor que tiñamos era o diboruro de magnesio (descuberto en 2002), que necesitaba 40 K (-230 ºC). E agora de súpeto subimos a 200K (-70ºC)! O problema é que se necesita una presión moi alta, pero quizá nos mostre cal é o camiño paira obter mellores materiais superconductores. Agora sabemos que igual podemos atopar uns bos fonones superconductores. Creo que iso é o máis importante”.

Predicións teóricas

En realidade, hai tempo que se anunciou que un sistema con alto contido en hidróxeno podía ser superconductor a alta presión a alta temperatura. Foi proposto en 1968 polo físico Neil Ashcroft nun artigo curto. E en 2014, Yinwei Li e os seus compañeiros anunciaron que o sulfuro de hidróxeno podía ser un superconductor a alta presión (-193 ºC). “Isto demostra que os cálculos teóricos teñen capacidade paira predicir novos superconductores, o que é moi interesante”, precisou Errea.

E hai máis predicións. “A alta presión, nos compostos ricos en hidróxeno as temperaturas son moi altas, pero esta é a primeira proba experimental. En calquera caso, creo que podemos ter esperanza en que pronto se mida a superconductividad a temperatura ambiente, aínda que sexa a alta presión. Logo, se todo o que estamos a aprender a unha presión moi alta vai ser útil paira conseguir un material superconductor a presión ambiental, iso non sei, igual é dicir demasiado, pero un sabe. En calquera caso, merece un esforzo”.

O tren xaponés SC Maggi levita grazas a imáns superconductores. Un tren deste tipo rompeu en abril a marca de velocidade en 603 km/h. Ed. Steve Kwak, Maryland Governors office/CC-BY-ND 3.0

De feito, as posibles aplicacións dos superconductores a temperatura ambiente poderían ser importantes. Quizais o máis evidente sexa o transporte de electricidade. Na actualidade, o 8-15% da electricidade transportada por cables pérdese en forma de calor por resistencia. “Se tivésemos cables superconductores, non teriamos perda –explica Erreak–, o que tería una gran influencia”.

Con todo, xa existe una industria de superconductores. Serven paira a realización de imáns moi potentes, que se utilizan en hospitais paira obter imaxes por resonancia magnética ou en aceleradores de partículas paira acelerar tanto as partículas. Estes imáns tamén son apropiados paira a fabricación dos trens levitados (trens maggi). Estes trens atópanse en fase de proba en Xapón, e un deles rompeu a marca de velocidade dos trens en abril con 603 km/h.

Tamén se deron os primeiros pasos cos cables superconductores paira transportar electricidade. Colocados nun par de lugares en Nova York, o máis longo, dun quilómetro, foi posto o ano pasado na cidade alemá de Essen.

Pero, como di Erre, “seguro que os que poden vir son moito máis interesantes do que podemos predicir. A quen desenvolveu o láser tampouco se lle pasou pola cabeza que nalgún momento utilizaríase paira operar os ollos”. E quizais paira iso non teñamos que esperar superconductores a temperatura ambiente. “Se se desenvolve a tecnoloxía e conséguese abaratar as cousas, podemos empezar a dar máis aplicacións aos superconductores que hai hoxe. Creo que, co que xa sabemos, pódese desenvolver moita tecnoloxía”.

Con todo, o físico donostiarra ten claro cal é o seguinte gran reto: “o maior reto é explicar o mecanismo teórico da superconductividad dos cupratos. Este camiño non está esgotado. De feito, se lle dixésemos una explicación, quizá entenderiamos como aumentar a temperatura. É por iso que ten moito interese. Moita xente tentou explicalo e fracasaron. Pero algunha vez chegará, non se cando, pero chegará”.