El origen de la superconductividad récord

Investigación UPV/EHU

Superconductor de alta temperatura enfriado con nitrógeno líquido levitando sobre imanes permanentes (TU Dresden). Foto: Henry Mühlpfordt
Superconductor de alta temperatura enfriado con nitrógeno líquido levitando sobre imanes permanentes (TU Dresden). Foto: Henry Mühlpfordt

Conseguir superconductividad a temperatura ambiente es uno de los objetivos más perseguidos por los científicos, pero también uno de los más esquivos. A pesar de las grandes expectativas que generó el descubrimiento de la superconductividad de alta temperatura en ciertos óxidos de cobre hace ya tres décadas, lo cierto es que hasta hace poco la temperatura crítica de superconductividad más alta obtenida experimentalmente era de 164 K, es decir unos -110 ºC. Recientemente se ha dado a conocer un trabajo en el que se afirma haber observado superconductividad en sulfuro de hidrógeno a altas presiones a una temperatura de -83 ºC (190 K), rompiendo todos los récords hasta el momento. Un investigador del DIPC, Ion Errea y sus colaboradores, explican en un trabajo teórico publicado en Physical Review Letters el origen de esta superconductividad récord.

Los resultados teóricos de este estudio demuestran que el origen de la superconductividad de alta temperatura en el caso del sulfuro de hidrógeno a altas presiones no se debe a un mecanismo de acoplo desconocido, como ocurre en los óxidos de cobre, si no a la interacción de los electrones con las vibraciones de la red cristalina del material, de forma similar a lo que ocurre en los superconductores convencionales de baja temperatura. Este trabajo, que además ha sido destacado por el editor de la revista, apunta a la posibilidad de poder encontrar superconductividad de alta temperatura en superconductores convencionales con acoplo electrón-vibración.

La superconductividad es una propiedad que presentan algunos materiales, en la mayoría de los casos a temperaturas extremadamente bajas, por la cual dejan de oponer resistencia al movimiento de los electrones, es decir al paso de las corrientes eléctricas. Una de las consecuencias más interesantes de la superconductividad y con un mayor potencial tecnológico, es que al no oponer resistencia a las corrientes eléctricas, no se pierde energía en forma de calor y aumenta drásticamente la eficiencia energética. Otra posible aplicación la encontramos en las propiedades magnéticas de los materiales superconductores que posibilita por ejemplo la levitación, ya usada en prototipos de trenes magnéticos. El problema para su uso en aplicaciones reales factibles es precisamente el hecho de que normalmente la temperatura a la que un material se convierte en superconductor, que se denomina temperatura crítica de superconductividad, suele ser extremadamente baja. De ahí el enorme interés y esfuerzo para encontrar un material que sea superconductor a temperatura ambiente.

El sulfuro de hidrógeno (H2S); conocido también como acido sulfhídrico; en condiciones estándar de presión atmosférica y temperatura ambiente, es un gas muy inflamable y tóxico con un característico olor a huevos podridos. Presente en aguas termales, gas natural, gases volcánicos, etc. es un compuesto bastante común. A raíz de la reciente observación en este compuesto de una superconductividad récord, Errea del DIPC y el grupo de colaboradores internacional lo primero que se plantearon fue estudiar la estabilidad y posible descomposición del H2S en condiciones de presión elevada, viendo que aunque es estable en condiciones estándar no lo es a altas presiones. Se descompone produciendo los compuestos HS2 y H3S.

El investigador principal del trabajo, Ion Errea explica que «mientras que en el caso del HS2 la transición a superconductor ocurre a unos 30 K (- 243 ºC), muy lejos del valor observado en el experimento, el H3S cristaliza en una estructura cúbica que presenta un acoplo electrón-vibración enorme que podría ser la causa de la altísima temperatura crítica de superconductividad encontrada». Los cálculos teóricos realizados demuestran que esta temperatura crítica tan alta solamente se puede explicar si uno tiene en cuenta efectos anarmónicos en la descripción de las vibraciones de los núcleos que forman la red cristalina del H3S. En efecto, precisamente debida a la presencia de los livianos átomos de hidrógeno que oscilan o vibran alrededor de sus posiciones de equilibro con gran amplitud, los efectos anarmónicos son muy importantes.

La reciente observación récord de superconductividad de alta temperatura en sulfuro de hidrógeno y la descripción teórica del posible origen del mismo, son solo un pequeño paso en la consecución de ese sueño de poder llegar a disponer de materiales superconductores en condiciones ambiente, pero son un paso más.

Referencias:

Ion Errea, Matteo Calandra, Chris J. Pickard, Joseph Nelson, Richard J. Needs, Yinwei Li, Hanyu Liu, Yunwei Zhang, Yanming Ma and Francesco Mauri (2015) High-pressure hydrogen sulfide from first principles: A strongly anharmonic phonon-mediated superconductor. Physical Review Letters DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.157004

Ion Errea (2015) Unveiling the origin of the record superconductivity Mapping Ignorance

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa

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