Los superconductores son materiales que permiten que la corriente eléctrica fluya sin resistencia. Esta capacidad única lo hace muy valioso para tecnologías como la transmisión eficiente de energía, el almacenamiento de energía, los sistemas de levitación magnética y las computadoras cuánticas.
El desafío es que la superconductividad generalmente ocurre a temperaturas muy bajas, muy por debajo de las condiciones cotidianas. Esta limitación ha impedido un uso práctico generalizado. Ese panorama empezó a cambiar con el descubrimiento de la superconductividad en materiales ricos en hidrógeno. Sulfuro de hidrógeno (H3S) se vuelve superconductor a 203 Kelvin (-70° Celsius), mientras que el decahidruro de lantano (LaH10) se vuelve superconductor a 250 Kelvin (-23° Celsius). Esta temperatura es mucho más alta que la de los superconductores anteriores y por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido, por lo que los científicos los clasifican como superconductores de alta temperatura. Su descubrimiento marca un paso importante hacia el objetivo largamente anhelado de la superconductividad a temperatura ambiente.
La brecha superconductora y por qué es tan importante
En el corazón de la superconductividad hay una característica conocida como brecha superconductora. Esta propiedad revela cómo los electrones se combinan para formar el estado superconductor y sirve como una firma clara que distingue un superconductor de un metal normal.
Comprender la brecha superconductora es esencial porque refleja directamente cómo interactúan los electrones dentro del material. Sin medir esta brecha, los científicos no pueden explicar completamente por qué un material se vuelve superconductor o qué mecanismo hace que desaparezca la resistencia.
¿Por qué es tan difícil medir el superconductor de hidrógeno?
A pesar de su importancia, los superconductores ricos en hidrógeno como el H3S ha sido extremadamente difícil de estudiar. Estos materiales sólo pueden crearse bajo enormes presiones que superan la presión atmosférica en más de un millón de veces. Debido a estas condiciones extremas, no se pueden aplicar técnicas ampliamente utilizadas, como la espectroscopia de barrido de túneles y la espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo.
Como resultado, la brecha de superconductividad entre estos materiales no se cuantificó, lo que dejó una gran brecha en la comprensión de los científicos sobre cómo funciona la superconductividad a alta temperatura en compuestos ricos en hidrógeno.
Una nueva técnica de construcción de túneles rompe la barrera
Para resolver este problema, investigadores del Instituto Max Planck de Maguncia han desarrollado un método de espectroscopía de túnel de electrones plano que puede funcionar bajo estas presiones extremas. Con este nuevo método es posible sondear directamente la brecha superconductora en H3Por primera vez S.
Con esta técnica, el equipo obtuvo una imagen clara del estado superconductor de los materiales ricos en hidrógeno, superando un obstáculo que había limitado el progreso en este campo durante años.
Lo que revela la medición
Los investigadores encontraron que H3S tiene una brecha superconductora completamente abierta de aproximadamente 60 milielectronvoltios (meV). Son su contraparte de deuterio d3S, que mostró una pequeña brecha de aproximadamente 44 meV. El deuterio es un isótopo de hidrógeno y tiene un neutrón más.
Esta diferencia es significativa porque confirma que la superconductividad en H3S es impulsado por interacciones entre electrones y fonones. Los fonones son vibraciones cuantificadas de la red atómica de un material. Los resultados respaldan predicciones teóricas de larga data sobre el mecanismo detrás de la superconductividad en compuestos ricos en hidrógeno.
Por qué es importante este avance
Para los investigadores de Maguncia el logro va más allá de los avances técnicos. Esto proporciona una base para descubrir la fuente fundamental de superconductividad a alta temperatura en materiales a base de hidrógeno. “Esperamos que al extender esta técnica de túneles a otros superconductores de hidruro, se puedan identificar los factores clave que permiten la superconductividad a temperaturas más altas. Esto permitirá en última instancia el desarrollo de nuevos materiales que puedan operar en condiciones más prácticas”, dijo el Dr. Feng Du, primer autor del estudio ahora publicado.
El Dr. Mikhail Iremets, una figura destacada en la investigación de la superconductividad de alta presión que murió en noviembre de 2024, describió la investigación como “el trabajo más importante sobre la superconductividad de hidruros desde el descubrimiento de la superconductividad en H.3S 2015.” Añadió Vasily Minkov, líder del proyecto de química y física de alta presión en el Instituto Max Planck de Química: “Con este trabajo, la visión de Mikhail de un superconductor que funciona a temperatura ambiente y presión moderada se acerca un paso más a la realidad”.
Una breve historia de la superconductividad.
La superconductividad se refiere a la capacidad de ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia. Fue descubierto por primera vez en mercurio puro en 1911 por Heik Kammerling Ones. Durante décadas, los científicos creyeron que este fenómeno sólo podía ocurrir a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 °C).
Este concepto cambió a finales de la década de 1980, cuando Georg Bednorz y Karl Alexander Müller descubrieron superconductores de óxido de cobre, también conocidos como cupratos, que exhibían superconductividad a alta temperatura a presión atmosférica normal. El descubrimiento desató un esfuerzo de investigación a nivel mundial.
Con el tiempo, los científicos han alcanzado temperaturas críticas (tdo) alrededor de 133 K a presión ambiente y 164 K a alta presión. El progreso se estancó hasta que los compuestos ricos en hidrógeno entraron en escena.
Limita los materiales ricos en hidrógeno.
Descubrimiento de la superconductividad en H3S a presión de megabar, incluyendo A tdo = 203 El grupo de investigación dirigido por el Dr. Mikhail Iremets, representa un punto de inflexión. Pronto, hidruros metálicos ricos en hidrógeno como YH9 (tdo ≈ 244 K) y LaH10 (tdo ≈ 250K).
Los modelos teóricos actuales sugieren que la superconductividad por encima de la temperatura ambiente puede ser posible en muchos sistemas dominados por hidrógeno cuando se los somete a presiones extremas.
Significado de los pares de Cooper y la brecha superconductora
En los metales comunes, los electrones cercanos al nivel de Fermi pueden moverse libremente. El nivel de Fermi representa el nivel de energía más alto que los electrones pueden ocupar en un sólido en el cero absoluto. Cuando un material se vuelve superconductor, los electrones forman estados emparejados conocidos como pares de Cooper y entran en un estado cuántico colectivo.
En este estado, los electrones emparejados se mueven juntos sin dispersar fonones ni impurezas en la red cristalina, lo que elimina la resistencia eléctrica. Este par crea una brecha de energía cerca del nivel de Fermi llamada brecha superconductora. La brecha representa la energía mínima necesaria para romper un par de Cooper y desempeña un papel protector al estabilizar el estado superconductor contra la inestabilidad.
La brecha superconductora es una característica definitoria de la superconductividad. Su forma y simetría proporcionan información importante sobre cómo interactúan y se emparejan los electrones, formando una huella clave del proceso superconductor subyacente.
