Es posible que algún día los superconductores ayuden a impulsar una nueva generación de productos electrónicos ultraeficientes, pero importantes obstáculos tecnológicos mantienen la tecnología confinada en gran medida a los laboratorios de investigación. Ahora, científicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia han desarrollado un nuevo método que aborda uno de los mayores desafíos en este campo: mantener la superconductividad a altas temperaturas y resistir fuertes campos magnéticos.
Los avances pueden ayudar a acercar las tecnologías superconductoras al uso práctico en electrónica, sistemas energéticos y dispositivos cuánticos.
Los dispositivos digitales modernos, los centros de datos y las redes de tecnologías de la información y la comunicación (TIC) representan aproximadamente entre el 6 y el 12 por ciento del uso mundial de electricidad. A medida que la demanda de energía sigue aumentando, los investigadores buscan formas de hacer que la electrónica sea más eficiente.
Los superconductores son particularmente atractivos porque pueden transportar corriente eléctrica sin pérdida de energía. A diferencia de los sistemas electrónicos convencionales, que disipan energía en forma de calor, los superconductores pueden transmitir electricidad sin resistencia. En teoría, esto podría hacer que las redes eléctricas, la electrónica y la tecnología cuántica sean cientos de veces más eficientes.
¿Por qué es difícil utilizar superconductores?
A pesar de su promesa, los superconductores enfrentan varios obstáculos que limitan sus aplicaciones en el mundo real.
Un desafío es la temperatura. Muchos superconductores sólo funcionan a temperaturas extremadamente bajas, a menudo -200 grados centígrados. Alcanzar y mantener tales temperaturas requiere sistemas de refrigeración complejos y que consumen mucha energía.
Los campos magnéticos presentan otro problema importante. Los campos magnéticos fuertes pueden debilitar o incluso eliminar la superconductividad. Esto es particularmente importante porque muchos sistemas electrónicos avanzados y tecnologías cuánticas generan campos magnéticos o dependen de ellos.
Para que sean prácticos para un uso generalizado, los materiales superconductores deben poder funcionar a altas temperaturas (idealmente cerca de la temperatura ambiente) y ser estables en entornos magnéticos fuertes.
Una estrategia diferente para una superconductividad fuerte
Los investigadores llevan años intentando mejorar los superconductores cambiando su composición química, pero los avances han sido limitados. El equipo de Chalmers decidió adoptar un enfoque diferente.
“Al esculpir la superficie sobre la que se coloca el superconductor, pudimos inducir superconductividad a temperaturas significativamente más altas de lo que era posible anteriormente. También descubrimos que el material sigue siendo superconductor incluso cuando se expone a fuertes campos magnéticos”, explica Floriana Lombardi, profesora de física de dispositivos cuánticos en Chalmers y autora principal del estudio. comunicación de la naturaleza.
Cómo un pequeño cambio de superficie marcó una gran diferencia
Los investigadores trabajaron con un material de óxido de cobre de la familia de los cupratos. Ya se sabe que los cupratos exhiben superconductividad a temperaturas relativamente altas, pero su composición química es difícil de cambiar una vez formados.
La capa superconductora utilizada en el estudio tenía sólo unos pocos nanómetros de espesor, menos de una millonésima parte del espesor de un cabello humano. Estos materiales ultrafinos deben crecer sobre una base de soporte llamada sustrato, que actúa como plantilla durante la fabricación.
Este avance se produjo mediante modificaciones a nanoescala en el propio sustrato.
“Dado que los átomos del sustrato están dispuestos en un patrón determinado, pueden ‘guiar’ cómo se asientan los átomos de la capa superconductora. Al cambiar el diseño de la superficie del sustrato, pudimos influir en las propiedades superconductoras y asegurarnos de que se conservaran incluso a altas temperaturas y cuando se aplicaban campos magnéticos elevados.
Antes de añadir la película superconductora, el equipo trató el sustrato al vacío a altas temperaturas. Este proceso creó un patrón ordenado de pequeñas crestas y valles a lo largo de la superficie.
Estas características microscópicas alteraron el entorno electrónico donde se unían el sustrato y la capa superconductora, creando condiciones que favorecían una fuerte superconductividad.
“Podemos ver cómo las propiedades de los electrones inician una orientación preferencial en esta región interconductora y se comportan de una manera que estabiliza y fortalece el estado superconductor”, dijo Lombardi.
Un nuevo principio de diseño para futuros superconductores
Los resultados introducen una nueva forma de pensar sobre los materiales superconductores. En lugar de centrarse únicamente en descubrir nuevos materiales o cambiar su química, los investigadores pueden mejorar el rendimiento diseñando cuidadosamente las superficies en las que se cultivan esos materiales.
“En lugar de buscar materiales completamente nuevos o manipular las propiedades químicas de materiales existentes, ahora estamos mostrando cómo se puede mejorar la superconductividad esculpiendo el sustrato”, dijo Lombardi.
Los investigadores creen que esta técnica podría eventualmente ayudar a que los superconductores funcionen a temperaturas mucho más altas, potencialmente incluso más cercanas a la temperatura ambiente.
El trabajo también apunta a aplicaciones futuras en electrónica energéticamente eficiente, materiales cuánticos avanzados y tecnología que debe funcionar en fuertes campos magnéticos.
“Esto demuestra que cambios muy pequeños a escala nanométrica pueden tener un impacto decisivo e incluso desbloquear todo el potencial de la superconductividad en la electrónica del futuro”, afirmó Lombardi.
Detalles del estudio
“Mejora de la superconductividad en YBA ultrafinos”, afirma el estudio2kú3Y7−δ películas a través de sustratos nanofacetados”, se publicó en la revista comunicación de la naturaleza.
Los autores incluyen a Eric Wahlberg, Ricardo Arpaia, Debmalya Chakraborty, Alexey Kalabukhov, David Vignoles, Cyril Proust, Annika M. Black-Shafer, Thilo Bauch, Gotz Seibold y Floriana Lombardi.
Los investigadores involucrados en el proyecto son de la Universidad Tecnológica de Chalmers, el Instituto de Investigación RISE, Suecia, la Universidad Ca’ Foscari, Italia, el Instituto Birla de Tecnología y Ciencia – Pilani, Italia, el Campus KK Birla Goa, India, el Instituto Indio de Educación e Investigación Científica (IISER), India, la Universidad de Uppsala, la Universidad de Suecia, la Universidad, la Universidad, la Universidad. INSA-T, Francia e Institut für Physik, BTU Cottbus-Senftenberg, Alemania.
Parte de la investigación se llevó a cabo en Myfab Chalmers, una instalación de sala blanca.
La financiación provino del Consejo Sueco de Investigación (VR), la Fundación Knut y Alice Wallenberg, la Unión Europea a través de una subvención EIC Pathfinder y Deutsche Forschungsgemeinschaft.
