Un paso más cerca de la superconductividad a temperatura ambiente

El diseño reciente de una nueva clase de materiales podría ser la clave definitiva para superar el reto de lograr la superconductividad eléctrica a temperatura ambiente y a presión normal.

Los superconductores se utilizan en diversas aplicaciones, desde escáneres médicos de resonancia magnética a la transmisión de energía eléctrica. Pero para que funcionen, deben enfriarse hasta temperaturas extremadamente bajas, lo que limita su uso práctico. Científicos de todas partes del mundo buscan materiales que puedan tener superconductividad a temperaturas “muy altas”. En este contexto, las temperaturas muy altas son la confortable en una vivienda o una temperatura más baja pero que no necesite una refrigeración más intensa que la típica en muchos ámbitos domésticos e industriales.

Adam Denchfield, Hyowon Park y Russell Hemley, los tres de la Universidad de Illinois en la ciudad estadounidense de Chicago, han ideado tres nuevos y prometedores diseños de material superconductor. En simulaciones por ordenador, los diseños demuestran algunas de las propiedades necesarias para la superconductividad a muy alta temperatura.

Durante décadas, la comunidad científica ha buscado materiales capaces de superconductividad (la transmisión de electricidad sin pérdidas) a temperaturas más altas, como por ejemplo la temperatura ambiente en muchas viviendas y empresas. Esto permitiría el uso generalizado de superconductores en redes de suministro eléctrico, la implantación a gran escala de motores eléctricos más eficientes y un abaratamiento notable de los trenes de levitación magnética.

En 2023, un grupo de científicos publicó un polémico estudio sobre un material superconductor que contiene un elemento químico de tierras raras llamado lutecio y que funciona a temperaturas cercanas a la ambiente y con presión atmosférica normal. La polémica inspiró a Denchfield a explorar la literatura académica anterior sobre materiales de esa clase.

Revisando estudios previos, incluyendo algunos de finales de la década de 1960 sobre trihidruros de tierras raras, encontró que en materiales de esta última clase se detectaron cambios muy extraños en la conductividad eléctrica al reducir un poco la temperatura. La causa de esos cambios no estaba clara.

Denchfield descubrió que las disposiciones especiales de los átomos de lutecio en combinación con los de hidrógeno y los de nitrógeno pueden hacer que el material presente propiedades intrigantes, incluida la superconductividad a alta temperatura. 

Su investigación le llevó finalmente a un prometedor compuesto de lutecio-hidrógeno-nitrógeno.

Pero Denchfield no se detuvo ahí. Empezó a explorar si otras combinaciones y estructuras con hidruros de tierras raras, con cambios como por ejemplo sustituir el lutecio por sus primos de la tabla periódica itrio y escandio, podrían funcionar aún mejor. Con el objetivo de aumentar al máximo la temperatura de superconducción, investigó hasta dar con tres tipos de estructuras cúbicas que, a juzgar por las  simulaciones digitales realizadas hasta la fecha, podrían cumplir con los requisitos exigidos.

Los nuevos materiales diseñados pueden ser superconductores a temperaturas no muy bajas. Algunos de ellos podrían serlo incluso a temperatura ambiente. (Imagen: Adam Denchfield)

En teoría, los nuevos materiales diseñados alcanzan la temperatura crítica (el punto en el que aparecen las propiedades superconductoras) a temperaturas no más bajas de unos 70 grados centígrados bajo cero. Y algunos podrían alcanzarla a la presión atmosférica normal con la que vivimos y a una temperatura del ambiente como las que nos resultan cómodas en nuestra vida cotidiana.

Para verificar las predicciones, habrá que sintetizar en el laboratorio los materiales diseñados y ponerlos a prueba.

El equipo de Denchfield expone los detalles técnicos de sus diseños de materiales en la revista académica Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), bajo el título “Designing multicomponent hydrides with potential high Tc superconductivity”. (Fuente: NCYT de Amazings)