Buscando la superconductividad de temperatura ambiente

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*Por Carlos Acha - Departamento de Física, UBA & IFIBA-CONICET

En un trabajo que acaba de ser publicado por la revista Nature [Snider, E. et al. Nature 586, 373–377 (2020)], Ranga Dias y colaboradores lograron materializar un sueño largamente buscado: ¡obtuvieron superconductividad a temperatura ambiente! Necesitaron aplicar presiones de 267 GPa (más de 2 millones de atmósferas) sobre un compuesto a base de Azufre, Carbono e Hidrógeno para lograr observar una transición superconductora resistiva a 15 °C. También vieron que esta transición no cambia al variar la corriente aplicada (descartando así que se tratara de una fase minoritaria) y que se corre a menores temperaturas al aplicar un campo magnético intenso. Adicionalmente lograron medir un apantallamiento magnético por susceptibilidad alterna. Este conjunto de pruebas, reproducidas para varias docenas de muestras, hace pensar que no se trata de un error y que efectivamente los investigadores lograron que el material alcance un estado superconductor, sin que sea uno de los artificios que pudiera aportar, por ejemplo, una transición de fase inducida por presión, dando a lugar a un cambio abrupto en la conducción eléctrica, sin que en realidad haya de por medio una transición superconductora asociada. 

Por ahora los investigadores desconocen la estequiometría y estructura cristalina del compuesto que sintetizaron fotoquímicamente entre los dos yunques de diamante que emplearon para aplicar estas increíbles presiones al material. Allí mezclaron H2 con S y C, aplicaron una presión de 4 GPa e iluminaron con un láser de 532 nm durante varias horas. A esta presión la longitud de onda de la luz incidente rompe las uniones del S y permite que forme otras estructuras, reaccionando con el H2 para formar H3S. Ajustando la iluminación del láser y la presión aplicada observaron la formación de un cristal homogéneo y  transparente en el que, mediante espectroscopía Raman, verificaron la no existencia de restos de S o de C sin reaccionar. También confirmaron que el material formado es inestable a presiones menores a los 10 GPa y que transiciona a una fase metálica a partir de los 60 GPa.

Este logro, tan buscado desde el descubrimiento de la superconductividad, se obtuvo tras una serie de investigaciones, iniciadas hace menos de 10 años en hidruros con alto contenido de H2, con la idea de que la superconductividad podría desarrollarse a temperaturas no tan bajas como las requeridas usualmente. Esto sería posible gracias al fuerte acoplamiento entre los electrones y las vibraciones de la red que se puede obtener en el H2 bajo presión. Este trabajo muestra que el estado superconductor puede observarse a temperaturas tan altas como temperatura ambiente y no resulta obvio predecir cuál será la máxima temperatura para la que se observe superconductividad bajo estas condiciones extremas.    

Un poco de historia

A principios del siglo pasado (1911), Kamerlingh Onnes y colaboradores se preguntaban cómo sería la conductividad eléctrica de un metal a bajas temperaturas: ellos se imaginaban que los electrones, en buena parte responsables de la conducción eléctrica, se comportarían como un gas, condensándose a temperaturas suficientemente bajas. Así, los portadores de carga perderían movilidad, y el metal se convertiría en un mal conductor, un aislante. Estas ideas, junto con la conjunción tecnológica de su capacidad de licuar Helio y la de poder contar con recipientes para almacenarlo durante un tiempo razonable, -gracias a los termos inventados por el señor Dewar-, les permitieron realizar el experimento.

Tremenda habrá sido su sorpresa al descubrir que el mercurio, por debajo de una temperatura llamada “crítica” (Tc), cercana a los 4 K (-269 °C), tenía un comportamiento totalmente opuesto al esperado: se convertía en un conductor perfecto, es decir ¡su resistencia eléctrica se hacía literalmente cero! Esto resultó ser el descubrimiento de un nuevo estado electrónico de la materia, que en ese momento llamaron “superconductividad”. Desde entonces, el estudio de los materiales superconductores y de sus propiedades ha sido un campo de mucho interés científico y tecnológico.

Con el devenir de los años se develaron muchas propiedades adicionales de los superconductores: 30 años luego del descubrimiento de Onnes, se supo que la superconductividad era más que la conducción perfecta, ya que para que un material pertenezca al “club” también tiene que ser un diamagneto perfecto, al menos bajo ciertas condiciones[i]. Esto quiere decir que al someterlo a un campo magnético el superconductor dispone, con cierta gratuidad, de corrientes eléctricas para apantallar el campo magnético y hacerlo nulo en su interior (B=0, el llamado efecto Meissner).  Se habló entonces de superconductores de tipo I y II, siendo los primeros los que frente a un campo magnético creciente mantienen heroicamente B=0, hasta un valor crítico en el que dejan de ser superconductores, y los segundos aquellos que dejan entrar cuantos de flujo magnético (vórtices) conformando una red y manteniéndose en un estado superconductor mixto con propiedades muy interesantes. Y así se fue entendiendo cada vez más de los superconductores, tanto mediante el uso de descripciones macroscópicas de la transición de fase al estado superconductor (teoría de Ginzburg-Landau) como gracias al desarrollo de una teoría microscópica que describe la aparición del estado superconductor gracias a la existencia de una interacción atractiva entre los electrones (teoría BCS[ii]). Se descubrieron propiedades muy llamativas como las que se observan en interfaces entre superconductores y aislantes (efecto Josephson), o entre superconductores y metales normales (efecto de proximidad), entre otras muchas cuestiones que no vamos a describir aquí.

Una de las aplicaciones de los superconductores que generó mucho interés, ya desde los primeros años de su descubrimiento, fue la de aprovechar su resistencia nula para transportar grandes corrientes eléctricas. En efecto, los metales normales tienen el mal hábito de perder energía como calor cuando circula a través de ellos una corriente (efecto Joule). Por ello, los superconductores serían ideales para su uso en cables de alta tensión o en bobinas, tanto de motores como de solenoides para la generación de grandes campos magnéticos. De hecho, esta es la aplicación industrial más frecuente de los superconductores: la producción de campos magnéticos altos y tremendamente estables que encontramos en los equipos médicos de imágenes por RMN. También existen trenes de alta velocidad levitados e impulsados gracias al uso de bobinados superconductores. El problema es que para que el superconductor funcione como tal, es necesario enfriarlo por debajo de su Tc. Si alcanzar estas temperaturas requiere por ejemplo del uso de Helio líquido, esto impone costos altos y serias limitaciones para el uso masivo que quisiéramos darles. Es por eso que los trenes levitados (Maglevs) son una rareza muy costosa que sólo puede verse en contados lugares.

Desde los inicios de la superconductividad, los investigadores se han desvelado por encontrar materiales cuya Tc sea lo más alta posible. Sin embargo, la teoría BCS indicaba que no sería posible tener superconductores con una temperatura crítica mayor a 30 K, ya que la interacción atractiva entre electrones requerida por la teoría, por su origen ligado a las vibraciones de la red de iones, se vería disminuida completamente al aumentar la temperatura por arriba de ese límite. Dentro de los intentos por favorecer todos los parámetros que según la teoría BCS darían lugar a la mayor Tc posible, en 1986 los investigadores Bednorz y Muller[iii] se toparon con un importante hallazgo: un superconductor de más de 30 K, que les valdría el premio Nobel por la gran revolución que desencadenó. De esta manera, los cupratos con estructura de perovskita dieron lugar a una nueva familia de superconductores que no respondía a la teoría BCS. Se los llamó superconductores de alta temperatura crítica.     

Durante toda la década de los 90’s este tema acaparó a la mayor parte de la comunidad de materia condensada, que se orientó a entender esta nueva superconductividad y a generar nuevos materiales que rompieran el récord de la mayor Tc. Experimentos de altas presiones realizados por Paul Chu de la Universidad de Houston mostraron que al comprimir al superconductor estudiado por Bednorz y Muller (LaBaCuO) la Tc aumentaba sensiblemente. Se buscó entonces comprimir la estructura con reemplazos químicos, generando el mismo efecto que con la presión externa. Así, reemplazando el La por un átomo de menor radio (Y), Chu y colaboradores[iv] lograron sintetizar el primer superconductor (YBaCu3O7, Tc=90 K) que “sólo” requería ser enfriado mediante nitrógeno líquido (-196 °C) para ser superconductor. De este modo, con el descubrimiento de nuevos materiales superconductores basados en cupratos, en un período de 5 años, la Tc aumentó más de lo que lo había hecho en cerca de 90 años de investigaciones. El sueño de lograr tener superconductividad a temperatura ambiente tenía resultados alentadores (Tc=138 K para un cuprato basado en Hg – 166 K para un compuesto similar a presiones de 23 GPa, es decir a 230.000 atmósferas*[v]), cuya concreción se haría aún esquiva por un tiempo.

Primera transición superconductora por encima de la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido obtenida en compuesto YBa2Cu3O7. Se observa también los efectos del campo magnético aplicado. (fuente: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.58.908).

Por otra parte, en 1968 Neil Ashcroft indicó que el hidrógeno, bajo altísimas presiones (¡más de 4 millones de atmósferas!), podría llegar a ser superconductor a temperatura ambiente, debido al fuerte acoplamiento entre sus electrones y las vibraciones de la red, que es uno de los ingredientes necesarios que indica la teoría BCS para lograr altas temperaturas críticas. Se empezó a pensar en la estrategia de pre-comprimir al hidrógeno mediante reemplazos químicos de manera de reducir las presiones necesarias para lograr la tan buscada meta. A partir de 2004 muchos trabajos teóricos indicaron cuáles compuestos serían posibles candidatos a mantener su estructura estable a tan altas presiones y lograr el estado superconductor a muy alta Tc. Así, algunos grupos que desarrollaron la capacidad de realizar experimentos de conducción eléctrica bajo presiones mayores a los 100 GPa, al comprimir muestras entre yunques de diamante de secciones milimétricas, se concentraron en estudiar la posible superconductividad de compuestos ricos en hidrógeno (H3S, CaH6, LaH10, entre muchos otros) bajo presión.  En 2016 Drozdov y colaboradores[vi] lograron medir una Tc que superó la barrera de los 200 K aplicando 200 GPa en H3S, y la existencia de un campo crítico. También mostraron la existencia de efecto isotópico, que es una de las huellas digitales de la superconductividad que responde a la teoría BCS. La Tc bajo altísimas presiones fue incrementándose así al estudiar distintos compuestos ricos en hidrógeno, trepando hasta cerca de los -20 °C.

Evolución de la Tc superconductora a través de los años (fuente: https://www.chemistryworld.com).

Finalmente, tras realizar una síntesis fotoquímica in situ (en el espacio entre dos yunques de diamante) de una mezcla de metano con los precursores de H3S, Ranga Dias y colaboradores de la Universidad de Rochester[vii] lograron la tan ansiada meta: observar superconductividad a 15 °C.   Dieron pruebas contundentes de ello ya que observaron tanto la transición resistiva y su sensibilidad al campo magnético aplicado como el apantallamiento magnético esperado.  Es cierto que tuvieron que aplicar presiones de 267 GPa y que por ahora desconocen la composición química y la estructura del compuesto sintetizado, aunque realizaron estudios espectroscópicos (Raman) que les confirmaron que, al producirse la síntesis del material, los elementos C-H-S se incorporaron efectivamente en una estructura cristalina que alcanza un estado metálico sin descomponerse.

1. a) Transición superconductora a distintas presiones aplicadas. b) detalle del montaje realizado en la celda de alta presión. c) evolución de la Tc con la presión donde se observa el récord obtenido (fuente: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z). 

Lograr superconductividad a temperatura ambiente bajo muy altas presiones no permite realizar ninguna de las aplicaciones prácticas para las que se soñó esta superconductividad. Sin embargo, además del interés científico que implica su descubrimiento en cuanto a ciencia básica, es la prueba concreta de que el estado superconductor de un material puede lograrse a temperaturas tan altas como la temperatura ambiente. Será entonces un desafío para la ciencia de materiales lograr encontrar la manera de sintetizar algún material que recree las condiciones logradas en los compuestos ricos en hidrógeno bajo los yunques de diamante. Lo que se creía imposible se ha logrado. Hay entonces renovadas esperanzas para imaginar que en algún tiempo podremos contar con materiales superconductores que, sin aplicarles presión, nos permitan sacar un gran partido de sus sorprendentes propiedades. 

[i] Meissner, W.; Ochsenfeld, R. (1933), Naturwissenschaften. 21 (44): 787–788.

[ii] Bardeen, J.; Cooper, L. N.; Schrieffer, J. R. (1957), Physical Review. 106 (1): 162–164. 

[iii] Bednorz, J. G. and Müller, K. A. (1986), Z. Phys. B 64, 189.

[iv] M. K. Wu, J. R. Ashburn, C. J. Torng, P. H. Hor, R. L. Meng, L. Gao, Z. J. Huang, Y. Q. Wang, and C. W. Chu

Phys. Rev. Lett. 58, 908.

[v] Durante casi 10 años este récord de Tc estuvo asociado a una investigación realizada en colaboración entre el LBT del DF y el CNRS de Grenoble: Monteverde, M.; Acha, C.; Núñez-Regueiro, M.; Pavlov, D.A.; Lokshin, K.A.; Putilin, S.N.; Antipov, E.V."High-pressure effects in fluorinated HgBa2Ca2Cu 3O8+δ" (2005) Europhysics Letters. 72(3):458-464

[vi] A.P. Drozdov, M.I. Eremets, I.A. Troyan, V. V. Ksenofontov, and S. I. Shylin. Conventional superconductivity at 203 K at high pressures. Nature, 525(73), 2015.

[vii] Snider, E. et al. Nature 586, 373–377 (2020).