El mundo de la superconductividad está en auge. El año pasado, Mikhail Eremets y varios compañeros suyos del Instituto Max Planck de Química en Mainz (Alemania) realizaron el extraordinario anuncio de haber observado el sulfuro de hidrógeno actuando como superconductor a -70 °C. Esa cifra es unos 20 °C superior a la jamás registrada en cualquier otro material, un aumento enorme sobre el récord actual.
Los seguidores de este blog habrán leído acerca de este trabajo cuando se publicó originalmente. En ese momento, los físicos se mostraron cautelosos. La historia de la superconductividad está llena de anuncios dudosos de actividad a gran temperatura que luego resultan imposibles de reproducir.
Pero desde entonces, Eremets y su equipo han trabajado duro para recopilar unas pruebas concluyentes. Recientemente, su trabajo se publicó por fin en Nature, dándole el sello de respetabilidad que requiere el campo tradicional de la física. De repente, la superconductividad vuelve a ocupar los titulares.
Antonio Bianconi y Thomas Jarlborg del Centro Inte acional Superstripes de Roma para la Ciencia de Materiales en Italia han hecho un emocionante repaso de este avance. Han publicado un resumen del descubrimiento del equipo de Eremet y un trabajo teórico que intenta explicarlo.
Primero, unos antecedentes. La superconductividad es el fenómeno por el cual algunos materiales presentan una resistencia eléctrica cero cuando son enfriados hasta pasar una temperatura crítica.
Este fenómeno está bien comprendido en los superconductores convencionales, que son esencialmente celosías rígidas de iones positivos dentro de un mar de electrones. La resistencia eléctrica se produce porque los electrones chocan con la celosía y pierden energía mientras la atraviesan. Sin embargo, a temperaturas bajas los electrones pueden unirse para formar pares de Cooper. Al mismo tiempo, la celosía se vuelve lo suficientemente rígida para permitir el movimiento coherente de ondas llamadas fonones.
La superconductividad se produce cuando los pares de Cooper y los fonones atraviesan el material juntos, y las ondas despejan el camino para las parejas de electrones. Y se descompone cuando las vibraciones de la celosía (su temperatura) asciende hasta ser capaz de romper los pares de Cooper. Esa es la temperatura crítica.
Hasta hace poco, la temperatura crítica más alta de este tipo era de unos -230 °C.
Existen esencialmente tres características que los físicos buscan para probar si un material es superconductor. La primera es una caída repentina en la resistencia eléctrica cuando el material es enfriado hasta superar esta temperatura crítica. La segunda es la expulsión de campos magnéticos desde dentro del material, un fenómeno conocido como el efecto Meissner. El tercero es un cambio en la temperatura crítica cuando átomos del material son reemplazados con isótopos, porque la diferencia en la masa de isótopos provoca que la celosía vibre de otra forma, lo que cambia a su vez la temperatura crítica.
Pero existe otro tipo de superconductividad que es mucho menos entendido. Incluye ciertas sustancias cerámicas descubiertas en la década de 1980 que son superconductoras a temperaturas de hasta unos -110 °C. Nadie entiende cómo funciona, pero gran parte de las investigaciones de la comunidad de la superconductividad se han centrado en estos materiales exóticos.
El trabajo del equipo de Eremet probablemente cambie eso. Quizás la mayor sorpresa de su descubrimiento es que no incluye un superconductor de "alta temperatura". En lugar de eso, el sulfuro de hidrógeno es un superconductor común del tipo que nunca se había observado funcionando a temperaturas superiores a los -230 °C.
El equipo de Eremet logró este truco al someter el material a un nivel de presión que sólo se produce en el núcleo de la Tierra. Al mismo tiempo, ha encontrado pruebas de todas las características importantes de la superconductividad.
Aunque todo el trabajo es experimental, los teóricos se han devanado los sesos para poder explicarlo. Muchos físicos habían creído que existía alguna razón teórica por la que los superconductores convencionales no funcionan por encima de los -230 °C. Pero realmente no existe nada en la teoría que impida la superconductividad a temperaturas más altas.
De hecho, en la década de 1960 el físico británico Neil Ashcroft predijo que el hidrógeno debería ser capaz de actuar como un superconductor a temperaturas y presiones altas, quizás incluso a temperatura ambiente. Su idea era que el hidrógeno es tan ligero que debería formar una celosía capaz de vibrar a frecuencias muy elevadas y por tanto sería un superconductor a temperaturas y presiones altas.
El descubrimiento del equipo de Eremet parece la confirmación de esta idea. O al menos algo parecido. Existen muchos flecos teóricos que recortar antes de que los físicos puedan afirmar entender bien lo que ocurre. Este trabajo teórico está en curso.
Ahora empieza la carrera por encontrar otros superconductores que funcionen a temperaturas incluso más altas. Un candidato prometedor es el H3S (Eremet originalmente trabajaba con el H2S).
Y, por supuesto, los físicos empiezan a pensar en aplicaciones prácticas. Existen muchos retos para la explotación de este material, entre otras cosas porque existe en la forma superconductora sólo en diminutas muestras dentro de yunques de alta presión.
Pero eso no ha impedido que se especule. "Este descubrimiento es relevante no sólo en la ciencia de materiales y materias condensadas, también en otros campos desde la computación cuántica hasta la física cuántica de la materia viva", dice Bianconi. También sugiere que este superconductor funciona a una temperatura 19 ºC más alta que la temperatura más baja jamás registrada en la Tierra.
Esto lo convierte en un campo excitante y uno del que probablemente escuchemos mucho más en los próximos meses y años.
Ref: arxiv.org/abs/1510.05264: Superconductivity Above ythe Lowest Earth Temperature In Pressurized Sulfur Hydride