El efecto Meissner es la característica más famosa de los superconductores pues permite su levitación magnética. Observar dicho efecto en hidruros metálicos bajo altas presiones en un yunque de diamante parece casi imposible. Se publica en Nature lo más próximo a dicha observación en el superhidruro de cerio, CeH₉, gracias a la magnetometría de centros vacante-nitrógeno en los diamantes del yunque; no se puede observar el efecto Meissner dentro del CeH₉, pero se observa una consecuencia, el diamagnetismo local en los centros vacante-nitrógeno (NV) situadas a ≈ 1 μm de la muestra. En 2019 ya se propuso usar NV, pero el estrés mecánico en estos defectos impedía una medida precisa de los campos magnéticos para presiones mayores de 7 GPa (gigapascales). Una ingeniosa idea ha resuelto este problema hasta presiones de 140 GPa, cortar la superficie el diamante en la dirección cristalina [111] para que los NV estén perfectamente alineados; los errores de medida del 6 % para un corte en la dirección [100] a 90 GPa, se reducen al 0.01 % para un corte [111] a 118 GPa. Así se mantiene la sensibilidad a campos magnéticos a presiones de hasta 140 GPa. La medida de la resistencia eléctrica junto a la magnetometría de NV en diferentes puntos de la muestra de CeH₉ hasta 137 GPa conduce a la señal predicha si existiera el efecto Meissner dentro de este material por debajo de su temperatura crítica de 91 K y su ausencia por encima. Se cree que esta técnica de metrología tiene margen de mejora y quizás sea aplicable a otros hidruros metálicos, como LaH₁₀ y H₃S, que ostentan récords de temperatura crítica. Todo un soplo de aire fresco para la superconductividad en hidruros a altas presiones.

Según la teoría BCS (Bardeen–Cooper–Schrieffer) la superconductividad es debida a la formación de pares de Cooper, electrones emparejados debido a su interacción con los fonones, vibraciones cuánticas de la red cristalina. El acoplamiento electrón–fonón depende de la frecuencia de los fonones, que es más alta para elementos con menor masa atómica; la temperatura crítica depende de este acoplamiento, además de otros factores. Por ello, se espera que los materiales con un gran exceso de hidrógenos, como los hidruros metálicos a altas presiones, tengan una temperatura crítica que crezca con la presión aplicada. El gran problema es como detectar campos magnéticos bajo presiones superiores a 100 GPa (un gigapascal es un millón de atmósferas de presión) en la celda de yunque de diamante. La solución son los centros vacante-nitrógeno en el diamante, que se comportan como espines unidad, con estados |−1〉, |0〉, y |+1〉. Mediante espectroscopia de resonancia magnética detectada de forma óptica (ODMR) se determina la anchura del desdoblamiento de los niveles |−1〉 y |+1〉 por efecto Zeeman, que es proporcional al campo magnético medido. Se obtiene una imagen bidimensional por fluorescencia de la superficie de la muestra con una resolución espacial submicrométrica.

Los centros vacante-nitrógeno se insertan cerca de la superficie del diamante superior del yunque , con una densidad de 1 ppm (partes por millón) a unos 50 nm (nanómetros) de la superficie del corte. Por desgracia, no se pueden usar para la medida del campo magnético. El problema es que el CeH₉ se tiene que fabricar in situ en el yunque, mezclando cerio (Ce) y borano de amoniaco (NH₃BH₃) a presiones superiores a 100 GPa y una temperatura de 1500 K por calentamiento con láser. El resultado es una muestra inhomogénea que no cubre toda la celda de diamante (una hipótesis usada en estudios previos que ahora parece ser falsa). Pero el problema es que el calentamiento láser durante la síntesis del CeH₉ produce nuevos NV con una distribución picada en ≈ 1 μm, aunque alcanza hasta 10 μm. La imagen de fluorescencia láser está dominada por estos nuevos centros vacante-nitrógeno cuya distribución espacial está picada a ≈ 1 μm, pero que no está controlada, aunque parece similar a la observada para las NV a 0.05 μm. Fue durante la revisión por pares cuando se detectó que la señal está dominada por las NV espurias; todos los análisis del artículo se rehicieron. Por fortuna, las conclusiones del artículo no se modifican de forma significativa.

Se espera que futuros avances permitan reducir el número de centros vacante-nitrógeno no deseadas que aparecen durante la síntesis del hidruro; gracias a ello se podrá obtener una medida más cercana a la muestra, luego más precisa, del diamagnetismo inducido por el efecto Meissner. Cuando se logre se podrá cuantificar mejor dicho efecto y comprobar si está bien descrito por la teoría BCS (como se suele suponer en este campo). Además, permitirá dilucidar la polémica sobre los hidruros superconductores a temperatura ambiente, eliminando las dudas actuales sobre los resultados de Emerets (LCMF, 13 ago 2024). El nuevo artículo es P. Bhattacharyya, W. Chen, …, N. Y. Yao, «Imaging the Meissner effect in hydride superconductors using quantum sensors,» Nature 627: 73-79 (28 Feb 2024), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07026-7, arXiv:2306.03122 [cond-mat.supr-con] (05 Jun 2023); todos los datos  en bruto están publicados en Zenodo (https://doi.org/10.5281/zenodo.8219843). Más información divulgativa en Kin On Ho, Sen Yang, «Quantum sensor settles debate about superconductivity in hydrides. By adapting a device designed to create extremely high pressures into one that can sense magnetic fields, researchers have obtained evidence that a hydrogen-rich material is a superconductor, eliminating long-standing doubts,» News & Views, Nature, 28 Feb 2024; Leonardo Benini, «Quantum sensing at the megabar frontier,» News & Views, Nature Physics 20: 543 (16 Apr 2024), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-024-02485-1. También recomiendo el artículo de Mikhail I. Eremets, «The current status and future development of high-temperature conventional superconductivity,» National Science Review 11: nwae047 (24 Feb 2024), doi: https://doi.org/10.1093/nsr/nwae047.

[PS 16 ago 2024] He corregido «vacantes de nitrógeno» que sugiere de forma incorrecta que hay una vacante en la posición de un nitrógeno en el cristal, cuando en realidad lo que hay es un nitrógeno en la posición de un carbono, que estaría vacante; lo he sustituido por «centro vacante-nitrógeno», aunque mantengo las siglas NV. Gracias a Dosmiluno por su comentario al respecto. [/PS]

Se han preparado dos muestras de hidruro de cerio (S1, arriba en la figura, y S2, abajo) que fueron medidas durante varios meses. Por desgracia, la muestra S1 se destruyó durante la primera fase de la investigación, con lo que no se pudieron completar todos los experimentos previstos con ella. Por fortuna, la muestra S2 permitió completar todos los experimentos, pero también se destruyó después del envío del artículo a la revista. Así que no podían realizar nuevos experimentos sobre dichas muestras a solicitud de los revisores. Por cierto, le solicitaron a los autores que publicaran todos los datos brutos de su estudio, lo hicieron en Zenodo, por la polémica actual en el área (LCMF, 13 ago 2024).

Volviendo al grano, como muestra esta figura, las mediciones de la resistencia eléctrica de S1 (118 GPa) y de S2 (137 GPa) muestran una caída abrupta a una temperatura crítica de ≈ 90 K, lo que sugiere la formación de CeH₉; aplicando campos magnéticos se reduce la temperatura crítica (como muestran las figuras centrales). Los espectros ODMR (figura superior derecha) muestran el desdoblamiento Zeeman, en este caso tras aplicar una corriente eléctrica, que induce un campo magnético. La anchura del desdoblamiento Δ crece con la corriente eléctrica (I) de forma lineal (figura inferior derecha); gracias a ello se puede determinar el campo magnético a partir de la dicha anchura.

Esta es la figura más relevante de todo el artículo. La imagen de fluorescencia (arriba en el centro) para la muestra S2 ilustra la presencia de CeH₉ y permite determinar la forma de la región que ocupa (se muestra con una línea punteada). Esta forma se ha determinado con muchas medidas a lo largo de líneas (que no se ilustran en la figura). Se pueden realizar medidas simultáneas de la resistencia eléctrica y del campo magnético en los NV bajo altas presiones (≳ 100 GPa). Un punto clave a la hora de confiar en los resultados es el procesado de las imágenes de fluorescencia para obtener el espectro ODMR; en el artículo no se ofrecen todos los detalles y los revisores parecen que han aceptado que están fuera de toda duda tanto la calibración inicial como el procesado posterior; mis conocimientos sobre este tema experimental son parcos, así que no puedo comentar nada más.

La parte derecha de esta figura muestra señales claras de diamagnetismo (consecuencia del efecto Meissner) al enfriar la muestra desde 120 K hasta 50 K en los puntos azul (cuadrado) y rojo (triángulo), sin ningún efecto en el punto amarillo (rombo), el más alejado de la muestra, y con un efecto esperado en el punto verde (estrella), el más cercano, pero fuera, de la muestra. Se acompaña la figura de la medida de la resistencia (mΩ) que muestra la transición abrupta asociada a la temperatura crítica. Por cierto, para estimar la resistividad eléctrica hay que usar un modelo de la muestra; suponiendo que tiene un grosor de un micrómetro, se estima una  resistividad del CeH₉ de 1.1 × 10⁻⁹ Ωm para la muestra S1 y de 1.4 × 10⁻¹¹ Ωm para la S2 (valores entre 10⁻¹ y 10⁻³ de la resistividad del cobre). Se han realizado otras medidas con resultados similares (no quiero entrar en más detalles), que apoyan que se ha observado el efecto de Meissner, al menos de forma indirecta, en la muestra de CeH₉.

También es relevante la observación de atrapamiento de flujo (flux trapping) y de histéresis en la muestra S2. Los resultados se presentan para el punto blanco (triángulo hacia abajo). Tras enfriar la muestra desde 105 hasta por debajo de 66 K, aplicando un campo magnético externo de Hz  = 103 G (gauss), se apaga este campo campo magnético Hz = 0 G y procede a medir el campo magnético en el NV del punto blanco; resulta un campo «atrapado» de 34 G (parte izquierda de la figura), una firma clara del atrapamiento de flujo. También se ha observado la histéresis en el proceso de calentamiento desde T < Tc hasta T > Tc y posterior enfriamiento (parte derecha de la figura). Las medidas se han realizado en el punto blanco, mostrando que la histéresis crece conforme crece el campo magnético aplicado (se muestran resultados para Hz = 34, 103 y 206 G). Destaca el brusco cambio que se observa para Hz = 206 G (que los autores califican de sorprendente). Dichos resultados están en buen acuerdo con lo esperado para un superconductor.

En resumen, se ha logrado una medida (indirecta) del efecto Meissner en una muestra de un superhidruro metálico gracias a una nueva técnica de metrología cuántica. Todo apunta a que el superhidruro de cerio, CeH₉, es superconductor fuera de toda duda. Sin embargo, se requieren importantes mejores en la magnetometría de centros vacante-nitrógeno para que este tipo de observaciones sean definitivas. Aún así, parece que dichas mejoras se podrán lograr en un futuro no muy lejano. Lo que permitirá aplicar esta técnica a otros superhidruros metálicos y despejar todas las dudas actuales sobre su superconductividad a temperaturas récord (quizás hasta temperatura ambiente). Habrá que estar muy al tanto de los avances en este campo, pues que la superconductividad a temperatura ambiente sea alcanzable a altas presiones es el único indicio de que no hay ninguna ley física que la prohíba a presión ambiental.