Cuando la electricidad viaja a través de cables, parte de su energía se pierde en el camino. Sin embargo, esa pérdida puede no ser inevitable. Los investigadores de Penn State han desarrollado una nueva forma de detectar materiales conocidos como superconductores: sustancias que pueden transportar corriente eléctrica con resistencia cero, lo que significa que no se pierde energía durante la transmisión.
El desafío de los superconductores fríos
A pesar de lo prometedores, la mayoría de los materiales superconductores aún no se pueden utilizar en la tecnología cotidiana. Su notable capacidad para conducir electricidad se manifiesta sólo a temperaturas extremadamente bajas, que son mucho menos prácticas para sistemas de energía o electrónica avanzada. Con el apoyo del programa “Teoría de la Materia Condensada” dentro de las Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía (DOE), el equipo de Penn State desarrolló un nuevo enfoque computacional que puede predecir qué materiales pueden exhibir superconductividad, allanando potencialmente el camino para encontrar otros que operen a temperaturas mucho más altas, incluso cercanas a la temperatura ambiente.
Una nueva mirada a un misterio de larga data
Predecir la superconductividad, especialmente en materiales que pueden funcionar a altas temperaturas, sigue siendo un desafío sin resolver. Durante mucho tiempo, las teorías existentes se han considerado precisas sólo para los superconductores de baja temperatura, explicó Jie-Kui Liu, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State.
“El objetivo siempre fue elevar la temperatura donde se mantiene la superconductividad”, dijo Liu, autor principal de un nuevo estudio publicado en Ciencia y tecnología de superconductores. “Pero primero necesitamos entender exactamente cómo se produce la superconductividad, y ahí es donde entra en juego nuestro trabajo”.
Cómo la teoría clásica explica los superconductores
Durante décadas, los científicos se han basado en la teoría de Bardeen-Cooper-Schreffer (BCS) para explicar cómo funcionan los superconductores convencionales a temperaturas extremadamente bajas. Según esta teoría, los electrones se mueven sin resistencia debido a interacciones con vibraciones en la red atómica, conocidas como fonones. Estas interacciones permiten que los electrones formen lo que se conoce como pares de Cooper, que se mueven sincronizados a través del material, evitando colisiones nucleares y previniendo la pérdida de energía en forma de calor.
“Imagínese una superautopista para los electrones”, explica Liu. “Si hay muchas rutas, los electrones chocan contra cosas y pierden energía. Pero si les haces un túnel recto, como la Autobahn de Alemania, pueden viajar rápida y libremente sin resistencia”.
Búsqueda de poder sin resistencia
Esta capacidad de transmitir energía sin resistencia es lo que hace que los superconductores sean tan prometedores, afirmó Liu. Si los científicos pueden crear materiales que sean superconductores a altas temperaturas, la electricidad podrá viajar más lejos, más rápido y de manera más eficiente, transformando el sistema eléctrico global. Para comprender este fenómeno, el proyecto financiado por el DOE utiliza una herramienta computacional conocida como teoría funcional de la densidad (DFT). DFT ayuda a modelar cómo se comportan los electrones en conductores ordinarios en comparación con los superconductores. El equipo plantea la hipótesis de que, aunque la DFT no modela directamente los pares de Cooper, predice que la densidad electrónica debería parecerse a la de los electrones emparejados, lo que permitirá a los investigadores estudiar el posible comportamiento superconductor.
Hasta hace poco, la teoría BCS y la DFT (una que describe pares de electrones y la otra basada en la mecánica cuántica) se trataban por separado. El equipo de Liu encontró una manera de conectar estas estructuras, creando una nueva forma de predecir la superconductividad.
Introduciendo la teoría de la zentropía
El avance se centra en un concepto llamado teoría de la gentropía. Este método combina los principios de la mecánica estadística, que estudia el comportamiento colectivo de muchas partículas, con la física cuántica y el modelado computacional moderno. La teoría de la zentropía relaciona la estructura electrónica de un material para revelar cómo sus propiedades cambian con la temperatura, cuando se transforma de un estado superconductor a uno no superconductor. Para aplicar la teoría, los científicos deben comprender cómo se comporta un material en el cero absoluto (cero Kelvin), la temperatura más fría posible, donde cesa todo movimiento atómico. El equipo de Liu ha demostrado que incluso la DFT, aunque originalmente no estaba destinada a estudiar superconductores, puede proporcionar información clave sobre cuándo y cómo se produce la superconductividad.
Predecir la próxima generación de superconductores
Según Liu, el nuevo método permite a los científicos predecir si un material puede volverse superconductor. La teoría de la zentropía puede entonces predecir la temperatura crítica a la que el material pierde esa propiedad. La teoría clásica BCS explica con éxito los superconductores que funcionan sólo a temperaturas muy bajas, pero falla en el caso de las variedades de alta temperatura, donde los pares de Cooper se disocian más fácilmente. A través del modelado DFT, el grupo de Liu descubrió que en los superconductores de alta temperatura, las “superautopistas” de electrones son estables debido a una estructura atómica única, como un puente de pontones que se flexiona con las ondas, permitiendo que los electrones se muevan suavemente incluso cuando aumentan las vibraciones térmicas.
Utilizando este enfoque combinado, el equipo predijo con éxito el comportamiento superconductor tanto en materiales convencionales como en materiales de alta temperatura, que la teoría tradicional no podía explicar. Predijeron la potencial superconductividad del cobre, la plata y el oro (metales que normalmente no se consideran superconductores) posiblemente porque necesitarían temperaturas extremadamente bajas para que apareciera el efecto. Estos hallazgos podrían acelerar el descubrimiento de nuevos materiales que actúen como superconductores a temperaturas más altas y prácticas.
El siguiente paso en la investigación práctica de superconductores
Los investigadores de Penn State planean ahora ampliar su trabajo de dos maneras. En primer lugar, utilizarán la teoría de la gentropía para predecir cómo afecta la presión a la temperatura a la que los superconductores pierden su resistividad. En segundo lugar, buscarán en una base de datos masiva de cinco millones de materiales para identificar nuevos candidatos que puedan exhibir superconductividad. El objetivo es encontrar los materiales más prometedores y colaborar con investigadores experimentales para probarlos.
“No estamos explicando lo que ya se sabe”, dijo Liu. “Estamos creando un marco para descubrir algo completamente nuevo. Si tiene éxito, el enfoque podría conducir al descubrimiento de superconductores de alta temperatura que funcionan en entornos prácticos, potencialmente incluso a temperatura ambiente, si existen. Tales avances podrían tener un enorme impacto en la tecnología y los sistemas energéticos modernos”.
Shun-Li Shang, profesor investigador de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State, es co-investigador del estudio.
El Departamento de Energía de EE. UU. apoyó esta investigación.
