Investigadores de la Universidad de Houston han logrado un importante avance en superconductividad al establecer un nuevo récord de temperatura para superconductores que funcionan en condiciones de presión ambiental. El avance podría eventualmente ayudar a crear redes eléctricas más eficientes, sistemas avanzados de almacenamiento de energía, electrónica más rápida y nuevas tecnologías para la energía de fusión y las imágenes médicas.
Los científicos del Centro de Superconductividad de Texas (TcSUH) y el Departamento de Física de la Universidad de Houston han alcanzado una temperatura de transición superconductora (Tc) de 151 Kelvin (aproximadamente -122 grados Celsius). Esta es la Tc más alta hasta ahora para que un superconductor opere a presión ambiental desde que se descubrió la superconductividad por primera vez en 1911.
La temperatura de transición marca el punto en el que un material puede conducir electricidad con resistencia cero. Aumentar esta temperatura es uno de los mayores objetivos de la investigación sobre superconductividad porque temperaturas de funcionamiento más altas pueden hacer que las tecnologías superconductoras sean más prácticas y asequibles.
Se publicaron los hallazgos de los físicos Ching-wu Chu y Liangzhi Deng Actas de la Academia Nacional de Ciencias. La financiación para el trabajo provino de Intellectual Ventures, el estado de Texas a través de TcSUH y varias fundaciones.
“Al transmitir electricidad a la red se pierde alrededor del 8% de la electricidad”, dijo Chu, profesor de física, director fundador de TcSUH y autor principal del artículo. “Si conservamos esa energía, ahorramos miles de millones de dólares y también nos ahorra mucho esfuerzo y reduce el impacto ambiental”.
Por qué son importantes los superconductores
Los superconductores son materiales que permiten que la electricidad fluya sin resistencia. Como no se desperdicia energía en forma de calor, pueden mejorar drásticamente la eficiencia del sistema eléctrico. Los científicos consideran que los superconductores son importantes para tecnologías como la resonancia magnética (MRI), los reactores de fusión, la tecnología cuántica y la electrónica ultrarrápida.
El desafío es que la mayoría de los superconductores operan sólo a temperaturas muy bajas, lo que requiere sistemas de enfriamiento costosos que limitan su uso generalizado.
“Una vez que llevamos el material a presión ambiental, resulta mucho más accesible para los científicos utilizar instrumentos bien desarrollados para investigarlo y desarrollar más tecnologías para operar en condiciones ambientales”, dijo Deng, profesor asistente de física, investigador principal de TcSUH y autor principal del artículo.
El nuevo récord rompe una barrera de décadas de antigüedad
Los investigadores llevan décadas buscando materiales superconductores con temperaturas de transición cada vez más altas.
En 1987 se produjo un hito importante cuando Chu y sus colegas descubrieron que un material conocido como YBCO podía volverse superconductor a -180 grados Celsius (93 K). Este descubrimiento ayudó a iniciar una carrera mundial para desarrollar superconductores de alta temperatura.
En 1993, los científicos descubrieron una cerámica de óxido de cobre a base de mercurio llamada Hg1223 que alcanzaba superconductividad a -140 grados Celsius o 133 K. Este material ha mantenido récords de presión ambiental durante más de 30 años.
El nuevo logro de la Universidad de Houston elevó el récord de 18 grados Celsius a 151 K.
El alivio del estrés produce una superconductividad estable
El progreso depende de un proceso conocido como alivio del estrés. Aunque las técnicas de presión se utilizan habitualmente en otros campos, incluida la producción de diamantes, el método es relativamente nuevo en la investigación de la superconductividad.
En primer lugar, los investigadores sometieron el material a presiones extremadamente altas, lo que mejoró su comportamiento superconductor y aumentó su temperatura de transición. Mientras estaba bajo presión, el material se enfrió a una temperatura cuidadosamente seleccionada antes de que se eliminara repentinamente la presión.
Esta rápida liberación preservó eficazmente las propiedades superconductoras mejoradas, lo que permitió que el material permaneciera estable incluso después de volver a las condiciones de tensión normales.
“Otros investigadores han demostrado que es posible alcanzar la superconductividad a temperatura ambiente bajo presión”, dijo Chu. “Nuestro método muestra que es posible mantener ese estado sin mantener el estrés”.
Un paso hacia los superconductores a temperatura ambiente
Aunque la superconductividad a temperatura ambiente y presión ambiente sigue estando fuera de alcance, los investigadores dicen que el nuevo récord es un paso importante hacia ese objetivo. La temperatura ambiente es de unos 300 K, lo que deja una diferencia de unos 140 °C con respecto al récord recién alcanzado.
“Este hallazgo tiene un gran potencial”, afirmó Chu. “Creemos que, con suficiente gente trabajando en ello y con suficiente tiempo, deberíamos ser capaces de aprovechar el potencial”.
Chu y Deng también contribuyeron a un artículo de perspectiva complementario financiado por Intellectual Ventures y publicado en PNAS. El artículo analiza seis enfoques diferentes que los investigadores pueden utilizar para aumentar aún más las temperaturas de los superconductores, incluido el alivio del estrés.
“Los científicos han considerado la superconductividad a temperatura ambiente como el ‘santo grial’ durante más de un siglo”, dijo Rohit Prasankumar, director de investigación de superconductividad en Intellectual Ventures. “Los resultados del equipo de la UH muestran que este objetivo está más cerca que nunca. Sin embargo, la distancia entre el nuevo récord establecido en este estudio y la temperatura ambiente sigue siendo de unos 140 grados Celsius. Cerrar esta brecha requerirá un esfuerzo concertado y deliberado de la comunidad científica en general, incluidos científicos de materiales, químicos e ingenieros, así como físicos”.
