Nuevo superconductor a temperatura ambiente con enormes posibilidades

"En un logro histórico", anuncia un equipo de la Universidad de Rochester dirigido por el profesor Ranga Dias tras crear un material superconductor viable a temperatura ambiente y una presión relativamente baja. Su estudio se publica esta semana en la revista 'Nature'.

"Con este material –el hidruro de lutecio dopado con nitrógeno (NDLH)– ha llegado el amanecer de la superconductividad en condiciones ambientales y el de las tecnologías aplicadas", destacan los autores.

[[H4:A solo 20,5 °C y un gigapascal]]

"El descubrimiento más emocionante es que hemos podido observar la caída de la presión en dos órdenes de magnitud con respecto a nuestro trabajo anterior, es decir, desde 270 gigapascales hasta 1 GPa y una temperatura de 69 grados Fahrenheit (20,5 °C)", explica Dias a SINC.

Aunque un gigapascal, que equivale a 145.000 libras por pulgada (psi), pueda parecer una presión extraordinariamente alta (la presión a nivel del mar es de unas 15 psi), las técnicas de ingeniería de deformación utilizadas habitualmente en la fabricación de chips, por ejemplo, incorporan materiales que se mantienen unidos por presiones químicas internas incluso más altas.

Muestra de un milímetro de hidruro de lutecio, el material superconductor creado en el laboratorio. Imagen compuesta de varios enfoques al microscopio y con mejora del color. / Universidad de Rochester/J. Adam Fenster

Los científicos llevan más de un siglo persiguiendo este avance en física de la materia condensada. Los materiales superconductores tienen dos propiedades clave: desaparece la resistencia eléctrica y los campos magnéticos expulsados pasan alrededor del material superconductor. En este contexto, el potencial de nuevos materiales como el desarrollado es enorme.

Por ejemplo, en el futuro podría permitir redes eléctricas que transmitan electricidad sin la pérdida de los hasta 200 millones de megavatios hora de energía que ahora se produce debido a la resistencia de los cables. También trenes de alta velocidad levitantes y sin fricción, técnicas de imagen médica y escáner más asequibles, máquinas tokamak que utilizan campos magnéticos para confinar plasmas y lograr la fusión nuclear como fuente ilimitada de energía ilimitada, y una electrónica más rápida y eficiente para la lógica digital y los dispositivos de memoria.

"Mediante determinadas herramientas de ingeniería (llamadas stain), creemos que podemos hacer crecer este material en una escala de nanocinta que podría ser utilizada para la fabricación de chips", adelanta Dias como una de las aplicaciones más accesibles.

Un artículo anterior retractado

Anteriormente, su equipo ya había informado de la creación de dos materiales (hidruro de azufre carbonoso y superhidruro de itrio) que eran superconductores a temperatura ambiente, pero las críticas y dudas surgidas por el trabajo obligaron a los editores de 'Nature' a retractarse del artículo.

Ahora, dada la importancia del nuevo descubrimiento, los investigadores de Rochester se han esforzado al máximo para documentar su investigación y evitar que vuelva a suceder lo mismo, además de enviar nuevos datos sobre su anterior estudio.

El nuevo trabajo se ha sometido hasta cinco rondas de revisión. Aun así, científicos independientes de la Academia China de las Ciencias y de la Universidad de Illinois (EE UU), lo valoran en un artículo paralelo publicado también en 'Nature' titulado: 'La superconductividad a temperatura ambiente despierta esperanzas, pero persisten las dudas'.

El hidruro de lutecio dopado con nitrógeno (NDLH)

En los últimos años, los hidruros creados combinando metales de tierras raras con hidrógeno y añadiendo después nitrógeno o carbono han proporcionado a los investigadores una tentadora "receta de trabajo" para crear materiales superconductores a presiones cada vez más bajas.

El lutecio parecía "un buen candidato para probar", apunta Dias, ya que tiene 14 electrones localizados de forma idónea para que se produzca la superconductividad a temperatura ambiente. La pregunta clave era cómo iban a estabilizarlo para reducir la presión necesaria: "Ahí es donde entró en escena el nitrógeno", responde.

Este elemento, al igual que el carbono, tiene una estructura atómica rígida que puede utilizarse para crear una red más estable, similar a una jaula, dentro de un materia. Es lo que proporciona la estabilidad necesaria para que se produzca superconductividad a baja presión.

El equipo de Dias creó una mezcla gaseosa de 99% de hidrógeno y 1% de nitrógeno, la colocó en una cámara de reacción con una muestra pura de lutecio y dejó que los componentes reaccionaran durante dos o tres días a 392 grados Fahrenheit.

Variaciones de color

El compuesto resultante de lutecio, nitrógeno e hidrógeno tenía inicialmente un "lustroso color azulado", según el artículo, pero cuando se comprimió en una célula 'de yunque' de diamante se produjo una "sorprendente transformación visual": de azul a rosa en el inicio de la superconductividad, y luego a un estado metálico no superconductor de color rojo brillante.

"Me sorprendió ver colores de esta intensidad", reconoce Dias, "y sugerimos con humor un nombre en clave para el material en este estado, reddmatter, como el que Spock creó en la popular película 'Star Trek' de 2009".

Según el investigador, es especialmente interesante la posibilidad de entrenar algoritmos de aprendizaje automático con los datos acumulados de la experimentación en su laboratorio para predecir otros posibles materiales superconductores, es decir, mezclar miles de posibles combinaciones de metales de tierras raras, nitrógeno, hidrógeno y carbono.

"El camino hacia la electrónica de consumo superconductora, las líneas de transferencia de energía, el transporte y las mejoras significativas del confinamiento magnético para la fusión son una realidad", concluye Dias, quien considera que ya "estamos en la era superconductora moderna".

Referencia:

Nathan Dasenbrock-Gammon et al. 'Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride'. 'Nature', 2023.