Dudas sobre la superconductividad a temperatura ambiente en un nanomaterial de oro y plata

El oro y la plata son muy buenos conductores, pero no son superconductores (por su débil acoplamiento electrón-fonón, según la teoría BCS); los experimentos descartan una temperatura crítica por encima de un milikelvin. Dos físicoquímicos indios, Thapa y Pandey, del Indian Institute of Science, Bangalore, afirman haber observado la superconductividad en condiciones ambientales, a temperatura > 320 K (46.85º C) y presión ~ 1 atm, en nanopelículas de 25 nm de grosor de nanobolas (20-30 nm) de oro con nanopartículas (~1 nm) de plata incrustadas. El artículo está bajo revisión por pares en una revista (¿Nature?); para asegurarse la prioridad han publicado en arXiv un manuscrito con los resultados hasta una temperatura de 236 K (−37.15 ºC); más aún, han solicitado una patente. Si se confirma el hito será el inicio de una revolución; por desgracia, hay serias dudas sobre sus resultados.

La superconductividad en condiciones ambientales es el santo grial de la física de la materia condensada; no se conoce ninguna ley física que la prohíba, pero el récord actual a 1 atm lo ostenta un cuprato a 138 K (−135 °C). En las últimas décadas ha habido muchas falsas alarmas. Por ello han surgido varias voces críticas al trabajo de Thapa y Pandey, que es demasiado bueno para ser cierto. La más dura la ofrece el físico Brian Skinner (MIT), quien ha observado que a baja temperatura el ruido en la susceptibilidad magnética es mucho mayor que a alta temperatura; más aún, este ruido está correlacionado entre las diferentes muestras (cuando debería ser estadísticamente independiente). El mayor fraude científico de la física moderna fue detectado gracias a este tipo de correlaciones en el ruido de fondo (“El escandaloso fraude científico de Jan Hendrik Schön,” LCMF, 09 Dic 2017).

Skinner ha contactado con los autores por e-mail para preguntarles al respecto. Le agradecen haber detectado la correlación del ruido, que afirman que no habían notado, pero desconocen su fuente. Según parece están estudiando el asunto. Pratap Raychaudhuri (Tata Institute, Mumbai), experto en superconductividad y magnetismo, tiene una explicación (pero poco convincente) para la correlación del “ruido”; en realidad no sería ruido per se, sino una señal de un efecto de tipo memoria magnética en la muestra cuyas nanobolas . La única manera de confirmarlo es repetir las medidas, pero Thapa y Pandey no han cedido sus muestras para estudios independientes.

Sin lugar a dudas estamos ante el avance científico más polémico del año. Hay constancia de que varios laboratorios de investigación (p. ej. colegas de Skinner en el MIT) han postergado su trabajo actual para ponerse a estudiar de forma intensa las nanopartículas de plata incrustadas en oro. En los próximos meses conoceremos sus resultados. El artículo en liza es Dev Kumar Thapa, Anshu Pandey (GS), “Evidence for Superconductivity at Ambient Temperature and Pressure in Nanostructures,” arXiv:1807.08572 [cond-mat.supr-con]. La crítica más fuerte es Brian Skinner, “Repeated noise pattern in the data of arXiv:1807.08572, “Evidence for Superconductivity at Ambient Temperature and Pressure in Nanostructures,” arXiv:1808.02929 [cond-mat.supr-con]; le sigue Deepak K. Singh, “Short commentary on comparing previous claim of RT superconductivity with the data of arXiv:1807.08572, “Evidence for Superconductivity at Ambient Temperature and Pressure in Nanostructures”,” arXiv:1808.04912 [cond-mat.str-el]; y V. P. S. Awana, “Short Note on Superconductivity at Ambient Temperature and Pressure in Silver Embedded Gold Nano-particles: A Goldsmith job ahead,” arXiv:1808.01797 [cond-mat.supr-con]. Por cierto, también se ha publicado una posible explicación teórica en Ganapathy Baskaran, “Theory of Confined High Tc Superconductivity in Monovalent Metals,” arXiv:1808.02005 [cond-mat.supr-con].

Recomiendo el exitoso hilo de Twitter de Skinner. En medios se han hecho eco, entre otros, R. Ramachandran, “Did IISc team just make the ‘greatest Indian discovery after Raman effect’?” The Wire, 07 Aug 2018; Daniel Oberhaus, “Either This Data is Incorrect or These Physicists Just Changed the World,” Motherboard, 16 Aug 2018; Vimal Simha, “Hastening to Judge?” Research Matters, 16 Aug 2018; la nota de prensa del IISc afirma que Pandey ha solicitado una patente, Sandhya Ramesh, “Calling Baker Street! IISc duo’s ‘power breakthrough’ has kicked up a Sherlockian mystery,” IISc, 17 Aug 2018; Shannon Hall, “A Superconductor Scandal? Scientists Question a Nobel Prize–Worthy Claim,” Scientific American, 20 Aug 2018; etc.

[PS 27 Ago 2018] Recomiendo leer a Daniel Pérez, “Encuentran superconductividad a temperatura ambiente. Lo que sucede a continuación te sorprenderá,” Mientras en Físicas, 20 Ago 2018; Davide Castelvecchi, “Physicists doubt bold superconductivity claim following social-media storm,” Nature 23 Aug 2018, doi: 10.1038/d41586-018-06023-x [/PS].

[PS 31 Ago 2018] La correlación en el ruido podría ser producto de un fenómeno de percolación, según David Pekker, Jeremy Levy, “A comment on percolation and signatures of superconductivity in Au/Ag nanostructures,” arXiv:1808.05871 [cond-mat.supr-con]. [/PS]

Una crítica al artículo de Thapa y Pandey es que no explica en detalle la técnica de síntesis que han usado. A pesar de ello no parece difícil emularla en otros laboratorios. Se han fabricado nanopartículas de plata ~1 nm de diámetro que, mediante técnicas coloidales, se han embebido en una matriz de oro (con una fracción de oro xAu entre 0.7 y 0.9); el resultado es una nanobola (pellet) de plata-oro con un diámetro de unos 20-30 nm. Se han realizado medidas de la resistencia eléctrica en películas de ~25 nm de grosor formadas por estas nanobolas de plata-oro. También se han realizado medidas de la susceptibilidad magnética en las nanobolas individuales. Una de las críticas al trabajo es que ambas medidas conducen a casi la misma temperatura crítica (236 K en el primer caso y 234 K en el segundo), cuando lo habitual en materiales con geometría tan dispar es que haya una mayor diferencia (el autor de la crítica es Pratap Raychaudhuri).

Permíteme repetir aquí la figura que abre esta entrada del blog. A la izquierda se muestra la resistencia medida en las películas de 25 nm de grosor para diferentes campos magnéticos aplicados (para realizar la medida se ha situado la película sobre 6 contactos de oro de 100 nm de altura y 1 mm de anchura, separados entre sí por 100 µm); por debajo de la temperatura crítica (desde 234 K para 0.01 T hasta 219 K para 5 T) la resistencia de las muestras es inferior a 10−4 Ω (ohmios), el límite de sensibilidad de su instrumento de medida; esto equivale a una resistividad < 10−10 Ω·m; además, se ha medido una susceptibilidad de las muestras por debajo de −0.056 (lo que apoya la observación del efecto Meissner).

Por cierto, por encima de la temperatura crítica la resistencia crece linealmente siendo independiente del campo magnético externo. En el artículo en arXiv se destaca este resultado justo después de la figura anterior, sugiriendo que las muestras son las mismas. Sin embargo, aquí para 250 K la resistencia es de 1.75 Ω en lugar de 0.7 Ω; este hecho, sin explicación ni comentario en el artículo, sugiere que se trata de muestras diferentes. Tras la revisión por pares se tendrá que aclarar esta cuestión.

Esta figura muestra los resultados para una nanobola individual con una fracción xAu = 0.73 a presión ambiente y temperatura entre 150 y 400 K; la resistividad siempre es inferior a 2.5 × 10−11 Ω·m (recuerda que la del oro y la plata es de ~ 10−8 Ω·m); la susceptibilidad magnética por unidad de volumen se ha mantenido constante a un valor de −0.037. Según Thapa y Pandey sus resultados son coherentes con la observación de la superconductividad a temperatura y presión ambientales en películas de nanopartículas con un tamaño de grano de unos 20 nm.

El problema observado por Brian Skinner se muestra en esta figura; en el artículo de Thapa y Pandey esta figura está en formato PNG y su pésima calidad impide extraer los puntos (algo fácil si estuviera en EPS). Los puntos verdes y azules siguen exactamente el mismo patrón a baja temperatura, como si estuvieran desplazados por una cierta cantidad. Dos medidas en muestras independientes realizadas en momentos independientes no deberían tener un patrón de ruido duplicado. Skinner ha consultado a varios expertos que usan el mismo aparato experimental y todos coinciden en que no saben cómo explicar esta correlación, salvo que sea artificial. Los propios autores tampoco saben cómo explicarla.

Felix Scholkmann (Univ. Zurich) ha seleccionado los 31 puntos verdes (1 T) y azules (0.1 T) que son más fáciles de distinguir y los ha marcado con un círculo rojo con borde blanco. Así se ve claramente la correlación observada por Skinner. En el resto de los puntos por debajo de cierta temperatura (entre 180 y 225 K) se observa un comportamiento similar pero resulta más difícil distinguir unos puntos de otros y determinar su centro para realizar medidas de su distancia.

Esta figura muestra la distribución estadística de la distancia entre los 31 puntos de la figura anterior. Se observa claramente que la distancia es casi constante. No parece que haya sido intencionado (fraude científico), ya que Thapa y Pandey se muestran tan sorprendidos como Skinner. Aún así, no saben explicar este comportamiento, y afirman estar estudiándolo. Pratap Raychaudhuri ofrece una explicación basada en el efecto memoria de los materiales diamagnéticos. En su opinión, la figura ha sido obtenida con medidas sucesivas realizadas sobre la misma película a campo magnético creciente. El “ruido” no sería ruido, sino señal, si las nanobolas están poco compactadas, el campo magnético a 0.1 T podría haberlas reorientado en la película; tras cortar el campo magnético quedaría un efecto memoria que al aplicar luego 1 T les haría volver a reorientarse en el mismo sentido, pero un poco más; por ello el “ruido” parece casi idéntico en ambas muestras pero desplazado. Sin embargo, al aplicar 3 T la reorientación sería tan grande que se perdería el efecto memoria y por ello no se observa la correlación del “ruido” para 3 T y 5 T. Por supuesto, esta hipótesis puede ser confirmada por experimentos. Por desgracia, si no ceden sus muestras, solo lo pueden hacer Thapa y Pandey.

No soy experto en superconductividad en la nanoescala, así que supongo que mi opinión será poco relevante. El descubrimiento de la superconductividad de alta temperatura en cupratos en 1986, inició un intenso trabajo de búsqueda en óxidos de plata y oro (el cobre, como la plata y el oro, no es superconductor). Ha habido varios anuncios que luego han sido falsas alarmas (como Danijel Djurek, “Onset of ATC superconductivity in Ag5Pb2O6/CuO composite,” arXiv:0905.3524 [cond-mat.supr-con], quien afirmó que cierto óxido de plata y cobre lograba una temperatura crítica de 17 °C). Los superconductores se caracterizan por dos efectos: una resistencia eléctrica muy pequeña (cercana a cero) y un comportamiento diamagnético casi perfecto (efecto Meissner), con una susceptibilidad magnética por unidad de volumen cercana a −1 (Thapa y Pandey solo logran un valor mayor de −0.06, muy lejos de −1(*)). Verificar el efecto Meissner, la expulsión de todo campo magnético del interior del volumen del material superconductor, es el gran problema con la superconductividad en la nanoescala; no es fácil estimar la susceptibilidad magnética por unidad de volumen para nanopartículas. Por ello, en mi opinión, hay que ser muy prudente con este anuncio, pero todo apunta a falsa alarma. Espero equivocarme. Por fortuna, saldremos de dudas en los próximos meses cuando se publiquen los intentos de replicación de estos resultados.

(*) Como nos aclara Daniel Pérez, Mientras en Físicas, “en los superconductors macroscópicos (bulk) se produce la expulsión total del campo magnético y la susceptibilidad es −1. En superconductividad en la nanoescala nunca se produce la expulsión total del campo magnético, porque con frecuencia el tamaño de las muestras es menor que la profundidad de penetración del campo magnético. Por tanto, es imposible que se presenten resultados con una susceptibilidad igual a −1 en estas muestras”. Gracias, Daniel. [/PS]

8 comentarios

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Enrique Moreno Enrique Moreno

La experiencia demuestra que pronto se descartará el “descubrimiento” (es demasiado bonito para ser cierto), pero si se confirmara sería una revolución de nuestra sociedad la cual cambiaría radicalmente para antes de que acabara la próxima década. Por fin estarían a nuestro alcance sistemas de almacenaje basados en bobinas superconductoras que permitirían almacenar la energía generada en horas valle por fuentes renovables, entre muchísimos otros avances. Sería el principio del fin de los combustibles fósiles…

Mientras en Fisicas Mientras en Fisicas

Un post muy completo Francis. Solo quería añadir una aclaración con respect a la susceptibilidad magnética. Como bien mencionas, en los superconductors macroscópicos (bulk) se produce la expulsion total del campo magnético y la susceptibilidad es -1. En superconductividad en la nanoescala nunca se produce la expulsion total del campo magnético porque con frecuencia el tamaño de las muestras es menos que la profundidad de penetración del campo magnético.
Creo que será imposible que presenten resultados con una susceptibilidad igual a -1 en estas muestras

amago amago

Entonces, ¿El descubrimiento de un superconductor a temperatura ambiente en nanoescala sería a los superconductores lo que el nanotubo de carbono es a las estructuras? Es decir, algo que teóricamente es la panacea pero no hay quien consiga utilidades prácticas.

DavidL DavidL

Hola Francis. Ya sé que no tiene nada que ver con el tema que tratas en tu entrada pero… ¿Has leído los dos papers de Cumrun Vafa sobre la posible incompatibilidad entre la energía oscura y la teoría de cuerdas?. Los papers son https://arxiv.org/abs/1806.09718 y https://arxiv.org/abs/1806.08362. Tal y como lo tratan los medios divulgativos….https://www.quantamagazine.org/dark-...y-20180809/…no sé hasta que punto está bien tratado o no. En todo caso, ¿Vas a tratar el tema?. ¡¡Muchas gracias!!

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

DavidL, espero sacar tiempo para escribir algo sobre la preferencia de Vafa hacia la quintaesencia como explicación de la energía oscura, en lugar de la constante cosmológica, dado que esta última genera tensiones con el landscape, que no genera la primera.

espaidual espaidual

sin haber leído la respuesta de los autores, ni siendo experto en el área:
Lo de la figura 3.a me parece más bien una característica del método experimental. Parece que las medidas no sean independientes sino tomadas todas a la misma T. Parece lógico. Dudo mucho que sea costumbre hacer series de resfriamiento con campos de 3T. Y ya que están, porque no hacer toda la serie a la misma temperatura? Obviamente, con ésto entras en problemas de meta-estabilidad que es lo que creo que son esas correlaciones. Puede que las fluctuaciones provengan de defectos topológicos que quedan congelados en la fase superconductora. Si os fijáis, tan pronto como se pierde la conductividad, la correlación desaparece.

Muy probablemente hay problemas en el proceso experimental y una cierta negligencia que en otros laboratorios pueden ‘permitirse’ evitar. Casi seguro que no ‘es oro que reluce’ ;). Pero por la actitud de los autores, no parece que haya fraude ‘voluntario’.

espaidual espaidual

vaya,
acabo de leer que esto es lo que se propone en el penúltimo párrafo, lo siento por leer en diagonal.

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