Posible récord de temperatura crítica para un superconductor a muy alta presión

Por Francisco R. Villatoro, el 9 diciembre, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 8

Dibujo20141209 Sulfur hydride - Hydrogen sulfide - tc superconductivity - arxiv

El superconductor con el récord de temperatura crítica (Tc) es el cuprato HgBa2Ca2Cu3Ox: 133 K a presión atmosférica y 164 K a alta presión (45 GPa). Hasta ahora. Un artículo enviado a Nature afirma que el sulfuro de hidrógeno (H2S) es superconductor a 190 K bajo una presión de 150 GPa. Por primera vez desde 1986 un superconductor convencional logra el récord absoluto de temperatura crítica a alta presión (a presión atmosférica su Tc ~17 K).

El artículo está bajo revisión por pares y sus resultados deberán ser repetidos de forma independiente por otros grupos de investigación. Aún así, podemos clasificar este resultado como revolucionario. El artículo técnico es A.P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, “Conventional superconductivity at 190 K at high pressures,” arXiv:1412.0460 [cond-mat.supr-con]. Más información divulgativa en KFC, “High Temperature Superconductivity Record Smashed By Sulphur Hydride,” The Physics arXiv Blog, 09 Dec 2014.

Dibujo20141209 resistance Ohm - Sulfur hydride under pressure - tc superconductivity - arxiv

A presión atmosférica el sulfuro de hidrógeno (el ácido sulfhídrico en disolución acuosa) es un superconductor convencional, es decir, que se puede describir mediante la teoría BCS (propuesta por John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer en 1957, que recibió el Premio Nobel de Física 1972). Los cupratos y los pnicturos son superconductores no convencionales, en los que no se aplican ni la teoría BCS, ni la teoría efectiva de Bogolyubov; todavía desconocemos la teoría que describe estos superconductores. El primero que se descubrió fue el CeCu2Si2 en 1978, pero no fueron famosos hasta que J. G. Bednorz y K. A. Müller en 1986 descubrieron que el cuprato LaBaCuO4 tenía Tc ~ 35 K (Premio Nobel de Fïsica en 1987). La investigación en superconductores (no convenionales) de alta temperatura (High-Tc) fue todo un tsunami que en 1987 logró un material (YBCO) con Tc ~ 90  K y en 1988 uno (TBCCO) con Tc ~ 125 K.

Desde 1986 todos los récords de temperatura crítica los habían copado superconductores no convencionales, estando relegada la superconductividad convencional al régimen de alta presión, pero siempre en un segundo plano. El nuevo trabajo de Mikhail Eremets (Instituto Max Planck de Química en Mainz, Alemania) y sus colegas es toda una bomba que pondrá en el candelero el estudio de muchos superconductores convencionales a alta presión (por encima de 100 GPa). Si se confirma el descubrimiento, el sulfuro de hidrógeno se convertirá en uno de los materiales más estudiados del planeta, pues el estudio de sus propiedades abrirá nuevas vías para el descubrimiento de otros materiales superconductores convencionales con temperaturas críticas aún más altas.

Dibujo20141209 Pressure dependence of critical superconducting temperature Tc on pressure - arxiv

 

En 1968, usando la teoría BCS el físico británico Neil Ashcroft predijo que el hidrógeno podría ser superconductor a altas temperaturas y altas presiones (N. W. Ashcroft, “Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor?,” Phys. Rev. Lett. 21: 1748, 1968). La razón es que las vibraciones cristalinas (los fonones responsables del acoplo entre pares de electrones en los llamados pares de Cooper) podrían alcanzar frecuencias muy altas (intensificando la fuerza fonónica de acoplo entre pares de electrones). En 2004, Ashcroft predijo que los hidruros (moléculas formadas por hidrógeno y un metal) también eran superconductores a altas temperaturas y altas presiones (N. W. Ashcroft, “Hydrogen Dominant Metallic Alloys: High Temperature Superconductors?,” Phys. Rev. Lett. 92: 187002, 2004). Esta ha sido la mecha del trabajo de Eremets y sus colegas. Más aún, la teoría de Ashcroft predice que la temperatura crítica debe ser más baja cuando se sustituye el hidrógeno por deuterio (hidrógeno pesado) y así lo confirman los experimentos.

¿Cómo se logra alcanzar presiones tan altas como 150 gigapascales? Para ello se introduce el ácido sulfhídrico líquido en yunque de diamante a una temperatura de unos 220 K equipado con electrodos que permiten medir la conductividad y la resistencia eléctricas. Al aumentar la presión aplicada aumenta la temperatura crítica para la superconductividad, un resultado sorprendente. Más aún, cuando a la unos 150 GPa se elevó hasta 190 K. Todo un récord absoluto que siendo un experimento fácil de repetir será comprobado en poco tiempo por muchos grupos de investigación.

Dibujo20141209 Temperature dependence of resistance of sulfur hydride at different magnetic fields - arxiv

Por supuesto, la prueba de fuego será observar el efecto Meissner bajo alta presión. No parece fácil lograrlo a corto plazo. Quizás sea posible de forma indirecta. Por cierto, la historia de la superconductividad está repleta de falsas alarmas, experimentos irreproducibles, los famosos USO, Unidentified Superconducting Objects, que en español serían los osnis (en analogía con la traducción de UFO por ovnis). Por supuesto, los autores del nuevo trabajo tienen gran prestigio reconocido y a priori debemos pensar que no se trata de un osni. Habrá que esperar a la revisión por pares.

En resumen, un resultado extraordinario, un superconductor convencional que bate el récord de temperatura crítica de los superconductores no convencionales. Una gran noticia para la ciencia que debemos coger con cierta cautela: Afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias (y en este caso todavía no las tenemos).

PS 10 Dic 2014: Los resultados experimentales del grupo de Eremets se corresponden bien con las predicciones teóricas para el compuesto (H2S)2H2, según el reciente trabajo de Defang Duan et al., “Pressure-induced metallization of dense (H2S)2H2 with high-Tc superconductivity,” Scientific Reports 4: 6968, 10 Nov 2014 (gracias a Ion Errea @ionerrea por habérmelo indicado).

Dibujo20141210 calculated electron localization function - im-3m - scientific reports

Este trabajo teórico calcula las estructuras químicas y las propiedades superconductoras a alta presión del compuesto (H2S)2H2. Por encima de 111 GPa aparece una estructura metálica con simetría R3m, que a partir de 180 GPa adquiere la simetría Im-3m. Para esta última simetría la temperatura crítica para la superconductividad está entre 191 K y 204 K para una presión aplicada de 200 GPa. Este resultado concuerda bastante bien con los obtenidos por el grupo de Eremets.



8 Comentarios

  1. “Para ello se introduce el ácido sulfhídrico líquido en yunque de diamante a temperatura ambiente (unos 220 K)”

    De Siberia, supongo 😛

    Por otra parte, muy interesante el resultado. Me pregunto si tendrá consecuencias (o resultados parecidos para otros compuestos) para la dinámica de los gigantes gaseosos.

      1. La pregunta de Sandra me hace surgir la siguiente ¿qué es más costoso en términos energéticos (o tecnológicos), alcanzar (y mantener) 150 GPa o bajar (y mantener) a 35K?

  2. ¿Existe algún superconductor que se esté comercializando?
    Si es así ¿Emplea algún sistema de enfriamiento?
    Si no, ¿Hay algún material que esté cerca de poder ser comercializado?

    Muchas gracias.

Deja un comentario