El primer superconductor a temperatura ambiente pero a una presión enorme

Por Francisco R. Villatoro, el 16 octubre, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Química • Science ✎ 9

El récord de temperatura crítica lo tiene un superconductor a muy alta presión en un yunque de diamante. El equipo de Ranga P. Dias (Univ. Rochester, New York, EE.UU.) publicó en marzo de 2020 que un superhidruro de itrio era superconductor a 262 kelvin y 185 gigapascales. Ahora publica en Nature un superhidruro de azufre y carbono que superconduce a 287.7 ± 1.2 kelvin (~ 15 ºC) y 267 ± 10 gigapascales. Se observa la superconductividad para presiones desde 140 hasta 275 gigapascales en el yunque de diamante. Además de la resistencia nula, se ha observado la reducción de la temperatura crítica al aplicar un campo magnético de hasta 9 teslas; además, se observa diamagnetismo en la susceptibilidad magnética hasta 190 gigapascales. Por desgracia, las altas presiones necesarias están demasiado alejadas de las condiciones ambientales como para tener alguna aplicación práctica.

Por supuesto, este artículo prueba que la superconductividad es posible a temperatura ambiente. Pero aún ignoramos muchas cosas: no sabemos qué sustancia química concreta es superconductora (solo se ha propuesto un método de síntesis por láser en el yunque de diamante de un compuesto de hidrógeno, azufre y carbono, cuya naturaleza microscópica aún se ignora); tampoco se sabe si dicha sustancia es estable a temperatura ambiente, o solo es metaestable; ni siquiera si la superconductividad es convencional (mediada por fonones y descrita por la teoría BCS) o más exótica. Y, lo más importante, ignoramos qué impacto tendrá este hito histórico en la búsqueda de superconductores a temperatura ambiente a presiones más bajas. La gran pregunta, si la superconductividad no convencional es posible a temperatura y presión ambientales, aún no tiene respuesta.

Mientras siga siendo más fácil y más barato enfriar un superconductor no convencional a 138 K (−135 °C) que comprimir un superconductor a temperatura ambiente hasta 267 gigapascales, los avances en la superconductividad a altas presiones solo tendrán un interés en ciencia básica. En los próximos años Aún así, habrá que estar al tanto de estos avances prometen alcanzar 300 gigapascales en los próximos años. El artículo es Elliot Snider, Nathan Dasenbrock-Gammon, …, Ranga P. Dias, «Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride,» Nature 586: 373-377 (14 Oct 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2801-z; más información divulgativa en Davide Castelvecchi, «First room-temperature superconductor excites — and baffles — scientists,» Nature 586: 349 (14 Oct 2020), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-020-02895-0, y Robert F. Service, «At last, room temperature superconductivity achieved,» Science 370: 273-274 (16 Oct 2020), doi: https://doi.org/10.1126/science.370.6514.273.

Muchos medios y blogs se han hecho eco de este hito, por ejemplo, Charlie Wood, «Room-Temperature Superconductivity Achieved for the First Time,» Quanta Magazine, 14 Oct 2020; Douglas Natelson, «Room temperature superconductivity!» Nanoscale Views, 14 Oct 2020; Konstantin Kakaes, «Room-temperature superconductivity has been achieved for the first time,» MIT Technology Review, 14 Oct 2020.

El Premio Nobel de Física de 1913 reconoció a Heike Kamerlingh Onnes por el descubrimiento de la superconductividad del mercurio por debajo de 4.2 kelvin (4.2 ºC sobre el cero absoluto). Desde entonces el santo grial de la superconductividad ha sido alcanzar la temperatura ambiente. Neil W. Ashcroft propuso en 1968 que la superconductividad convencional a muy alta temperatura se podía lograr con el hidrógeno metálico a muy altas presiones; la razón es que combina estados de alta densidad electrónica, átomos ligeros y un fuerte acoplamiento electrón-fonón. En los últimos años la atención se ha dirigido a los compuestos ricos en hidrógeno, como H2S (LCMF, 09 dic 2014) y LaH10±x (LCMF, 23 may 2019), en yunques de diamante a presions del orden de 200 gigapascales (unos dos millones de atmósferas).

Según Dias uno de los grandes problemas de la superconductividad a altas presiones en yunques de diamante es el coste de los diamantes (cada par de diamantes cuesta unos tres mil dólares). Sin embargo, desde un punto de vista científico el problema es cómo demostrar que se ha logrado la superconductividad, pues no basta que aparezca una resistencia eléctrica cero (según la escala del ohmímetro). Hay que complementar dicha medida con la de otros fenómenos magnéticos asociados a la superconductividad. Además, siempre está la duda sobre el tipo de compuesto que se ha sintetizado a alta presión; aunque se ha avanzado mucho en los últimos años sobre cómo instrumentar los yunques de diamante para desvelarlo, aún se necesitan futuros avances en esta línea.

El nuevo trabajo en Nature usa un superhidruro ternario, cuando trabajos previos se centraron en los superhidruros binarios. La clave del nuevo trabajo es cómo sintetizar el compuesto ternario en el yunque de diamante. Trabajos previos con superhidruros de azufre que alcanzaron una temperatura crítica de 203 kelvin a 155 gigapascales fueron el punto de partida para considerar prometedor un superhidruro de azufre y carbono (aprovechando que H2S y CH4 tienen un tamaño comparable a unos 4 gigapascales). Se ha desarrollado un nuevo método de síntesis fotoquímica de un compuesto superconductor cuya estequiometría se desconoce; solo se puede escribir su fórmula química genérica CSHx (donde el valor de x es desconocido por ahora), porque en la síntesis se combinan carbono y azufre en una proporción molar 1:1.

En el artículo de Dias se usa el nombre C–S–H a alta presión. Se ha usado espectroscopia Raman para el compuesto C + S + H2 antes de aplicar el proceso fotoquímico a 4 gigapascales (Before en la figura de la derecha) y tras aplicarlo (After en la figura, también denotada por fase I). El espectro de la fase I muestra picos asociados a los modos H–S–H (ν2), H–C–H (ν2), S–H (ν1), C–H (ν13) y la vibraciones de H2. Se interpretan como indicios de la presencia de un sólido de van der Waals de tipo H2S + CH4 + H2, es decir, un compuesto con estequiometría (H2S)2−x(CH4)xH2 (con x próximo a la unidad). Conforme crece la presión se observan transiciones a las fases II, III y IV por encima de 15, 37 y 43 gigapascales. La fase II se parece a un compuesto (H2S)2H2, con las moléculas de H2S alineadas. En la fase III no se observan señales de la presencia del azufre en el espectro Raman, lo que se interpreta como que el compuesto C–S–H sigue ligado y no se ha descompuesto químicamente. Por desgracia, la señal Raman se pierde por encima de 60 GPa, con lo que no hay modo de saber la estequiometría del compuesto C–S–H que superconduce a 267 gigapascales. Futuros estudios teóricos y experimentales tendrán que dilucidar esta cuestión tan relevante. 0

En resumen, todos los récords son noticias que copan portadas en los medios (de hecho este artículo es portada de Nature). Sin embargo, quedan muchas incógnitas asociadas a la naturaleza química del compuesto que superconduce. Además, habrá que esperar a que este resultado sea reproducido de forma independiente por otros grupos de la competencia. Como ocurre muchas veces en ciencia, cada descubrimiento viene acompañado de más preguntas que respuestas.



9 Comentarios

  1. Habrá que ver si se forman pares de cooper a temperatura ambiente. Pues suena que estos sólo se forman ( y son estables) a temperaturas criogénicas, como el excitón de Warnier-Mott.

    Leyendo sobre hidrocarburos dopados (cristales orgánicos, de tipo K-dibenzopentaceno), no entiendo eso de deslocalización de la función de onda de los electrones de conducción. Me resulta más fácil, si me hablan de la energía de la banda de valencia, de la energía de la banda de conducción, de la Eg y de la EF.

    Un saludo

  2. Pregunto porque no me queda claro, o no lo ví, ¿se sabe el comportamiento de estos compuestos a bajas temperaturas?
    Porque no tenía nada leído de superconductividad a altas presiones y me ha hecho un cosquilleo la intuición de la posibilidad (random y traída de los pelos) de una relación entre densidad, temperatura y presión con la conductividad.

    1. Enrique, siempre se estudian a baja temperatura antes de estudiarlos a mayor temperatura (pero su comportamiento a baja temperatura y muy altas presiones no tiene interés). En este blog tienes muchas piezas sobre superconductividad a altas presiones.

  3. Parece interesante, es como si dijésemos que la superconductividad es posible a -173ºC. por que las altas presiones que son necesarias, para tener superconductividad a temperatura ambiente, lo alejan tanto de las aplicaciones prácticas, como lo alejaban las bajas temperaturas. Habrá que ver si estas formas de alta presión, son metaestables a presión y temperatura ambiente (1 atm. y 25ºC ), como ocurre con el diamante.

    Sobre el hidrógeno metálico, se habla que una alta frecuencia de vibración de los átomos de hidrógeno, debido a su baja masa, propiciará un acoplamiento electrón – fonón muy fuerte. Pero si nos fijamos en el Berilio y el Litio, con una Tc de 0, 026 y de 0004ºK, es decepcionante, para átomos con una baja masa iónica como la que poseen. Si los físicos Eugene Wigner y Hillard Bell Huntington estuviesen en lo cierto, estos metales ligeros, deberían de tener frecuencia de vibración altísima, y un acoplo electrón-fonón muy fuerte, debiendo de tener una Tc sino ambiente, como la del hidrógeno, tal vez similar a la de los cupratos (óxido de cobre) o los de hierro-arsenio (50-60ºK), y no una Tc tan bajita, como tienen ambos.

    Un saludo a tod@s.

  4. Es increíble que que después de tanto tiempo y a pesar de las muchas aplicaciones técnicas que se han desarrollado en base a los materiales superconductores y sus propiedades, a nivel teórico todavía queden muchas lagunas y misterios que resolver. Fascinante.

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