superconductividad de alta temperatura

Los antiguos mapas del tesoro se dibujaban a partir de rumores: alguien encontraba oro junto a un río, otro en las montañas, y cada uno cavaba en su propio sitio. Con los superconductores de alta temperatura ocurrió algo parecido: los cuprados se hallaron en unos compuestos, los pnicturos de hierro en otros, los niquelatos en unos terceros, y no había un mapa general.

Un metal de cinco átomos distintos es como una sopa en la que flotan trozos de zanahoria, guisantes, patata, cebolla y carne. Cada trocito es un elemento: cromo, vanadio, titanio, niobio y tántalo. Esta aleación se llama de alta entropía: no tiene un orden único, los átomos están mezclados casi al azar.

Dentro de un yunque de diamante que comprime la muestra con una fuerza millones de veces superior a la presión atmosférica, una fina película de lantano se encuentra con el hidrógeno. El hidrógeno proviene del amoníaco-borano, un polvo que al calentarse libera su hidrógeno, como una esponja suelta el agua.

Un superconductor es un material en el que la electricidad fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si se comprime ligeramente, como un resorte, sus propiedades cambian. Los científicos llevaban tiempo queriendo medir cuánto calor absorbe un material así comprimido, pero los instrumentos no cabían en el reducido montaje.

Un cable normal se calienta cuando circula corriente: parte de la energía se pierde. El superconductor no tiene ese defecto: la electricidad fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. El problema es que la mayoría de los superconductores requieren temperaturas muy bajas o presiones colosales, como las del interior de los planetas.

Un microchip del tamaño de una uña genera tanto calor como una bombilla pequeña. Disipar ese calor es como intentar vaciar una taza de té hirviendo con una cucharilla: el material aislante que rodea los transistores normalmente conduce mal el calor.

Un trozo de película más delgado que un cabello humano se colocó entre yunques de diamante y se comenzó a comprimir. La presión aumentaba: cien mil atmósferas, medio millón, un millón... Y el material seguía conduciendo corriente sin resistencia.

Muchos materiales se comportan como un hielo caprichoso: a una presión se derriten y a otra se vuelven más duros. Los superconductores de la familia de los cupratos no son una excepción. Su capacidad para conducir corriente sin pérdidas depende de cuán comprimida esté la red cristalina.

La espintrónica promete transmitir información no con carga, sino con espín, liberando a la microelectrónica de su principal enemigo: el calentamiento Joule.

La superconductividad y el campo magnético son enemigos eternos: el campo irrumpe como un torbellino, rompiendo el delicado emparejamiento de los pares de Cooper y destruyendo el orden.

La familia de los niquelatos son cristales en capas, parecidos a una pila de panqueques: las capas de níquel y oxígeno se alternan con intercapas de lantano.

Una película magnética delgada se asemeja a una fila de soldaditos con pequeñas agujas magnéticas. En el mundo plano, los golpes térmicos desordenan rápidamente esa fila: el más mínimo calentamiento destruye el orden. Así funciona el teorema de Mermin-Wagner: en dos dimensiones, una simetría continua no sobrevive a temperatura finita.

Un alfarero traza un patrón con un cincel afilado sobre una baldosa de arcilla aún húmeda. Un movimiento en falso y la línea se emborrona, la baldosa se agrieta. Algo así es como trabajan los físicos con películas del superconductor de alta temperatura YBCO (un compuesto de itrio, bario, cobre y oxígeno).

Los superconductores conducen corriente sin pérdidas, pero normalmente requieren un frío extremo. El Hg1223 —una mezcla de mercurio, bario, calcio, cobre y oxígeno— rompe la regla: deja de oponer resistencia a la corriente a –139 °C. El secreto es que la intensa repulsión eléctrica obliga a los electrones a emparejarse.

Un sándwich donde, en lugar de pan, hay capas de óxido de cobre y entre ellas una fina capa de iones de estroncio. Eso es el cuprato de capas infinitas, la variante más simple de la cerámica superconductora, ideada hace casi 40 años.

En los metales que conocemos, como el cobre, los electrones se mueven casi independientemente, como coches en una autopista despejada. La resistencia surge de colisiones raras y puede describirse con fórmulas sencillas.

El campo magnético no penetra en un superconductor como un flujo continuo, sino en forma de finos hilos: los vórtices. Normalmente se repelen y se ordenan en una red triangular regular, como flotadores en el agua. Pero en CaSb₂ todo ocurrió de otra manera: los vórtices se agruparon en montones apretados, dejando entre ellos espacios casi vacíos.

Un autobús abarrotado donde cada pasajero es un electrón. En un superconductor, los pasajeros se emparejan y se mueven al unísono, sin pérdidas de energía. Pero en los superconductores de alta temperatura, como los cupratos, esta idílica situación solo funciona si se suben pasajeros extra. Si, en cambio, se baja a alguien, las parejas empiezan a comportarse de manera extraña.

Un cristal de cobre se comprime en un yunque de diamante. La presión aumenta y en el interior del material se desarrolla una lucha entre dos estados: uno prepara a los electrones para la superconductividad, el otro, por el contrario, les impide unirse. Los científicos siguieron esta lucha con destellos láser ultracortos.

Un transistor normal de un teléfono se crea en una cámara de vacío, donde los átomos se depositan capa a capa. Es caro y lento. Pero el óxido de indio se puede imprimir como tinta: a partir de una gota de metal líquido que, al aire, se cubre sola con una fina película de óxido. Los autores tomaron indio, lo fundieron y lo extendieron sobre un sustrato a 250 grados.

La superconductividad es cuando la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Normalmente aparece a temperaturas muy bajas, pero hay materiales donde surge a temperaturas más altas.

En una olla con agua hirviendo, las burbujas de vapor nacen y revientan, pero el agua sigue siendo líquida. Algo similar ocurre en un gas atómico ultrafrío: los átomos forman pares constantemente y vuelven a separarse, aunque la superfluidez aún no ha llegado.

Un alambre fino del nuevo material conduce electricidad sin pérdidas si se enfría a tres grados por encima del cero absoluto. Es como agua que fluye por una tubería sin encontrar fricción en las paredes. El material se llama PtPb3Bi y su peculiaridad es su estructura interna, similar a un haz de hilos: los electrones corren libremente a lo largo del hilo, pero saltan con dificultad entre hilos.

Los electrones en un cristal a veces se comportan como una multitud en un estadio creando una «ola»: las zonas de mayor densidad se alternan con otras casi vacías. Esta ola bloquea el movimiento libre de las cargas: en condiciones normales, el material no es superconductor. Pero al aplicar presión, la ola desaparece y los electrones empiezan a moverse sin pérdidas.

El niobio es un metal que, al enfriarse a unos pocos grados por encima del cero absoluto, conduce la corriente sin resistencia. En los laboratorios se deposita en finas pistas sobre un sustrato, como si se extendiera crema sobre un pastel.

Una película fina como una telaraña, hecha de cinco metales, recibió el impacto del láser. En su interior, la presión saltó hasta 55 gigapascales, como si cien elefantes se pusieran sobre una uña. La aleación resistió y, durante una fracción de nanosegundo, se comprimió sin romperse.

Los circuitos superconductores suelen construirse sobre uniones Josephson, lugares donde la corriente fluye sin resistencia a través de una barrera delgada. Normalmente, esa barrera es una capa de óxido, pero sus propiedades son difíciles de controlar a escala nanométrica.

Un trozo de telururo de plata y antimonio se parece a una esponja: absorbe fácilmente el calor y lo convierte en electricidad. Estos materiales se llaman termoeléctricos y ya funcionan en sondas espaciales y frigoríficos de automóvil.

El hielo se escapa bajo la cuchilla del patín, como una pastilla de jabón entre las manos mojadas. Durante cien años, los científicos discutieron de dónde viene esa resbalosidad. Unos decían: ya hay una fina capa de agua en la superficie, que actúa como lubricante. Otros objetaban: el agua aparece solo cuando empiezas a moverte, por la fricción.

La superconductividad es la capacidad de un material para conducir electricidad sin pérdidas. Los cables normales se calientan y parte de la energía se convierte en calor, mientras que un superconductor deja pasar la corriente sin resistencia.

Los circuitos integrados dentro de los teléfonos inteligentes y los ordenadores son cada vez más densos: miles de millones de transistores empaquetados en un trozo de silicio del tamaño de una uña. Al funcionar, desprenden calor como diminutas estufas. Si no se disipa, el chip se sobrecalienta, empieza a fallar o se estropea.

El agua en una cacerola no hierve al calentarse, sino que se convierte en hielo. Algo así ocurre con los átomos ultrafríos en una red óptica: una rejilla cristalina de luz que mantiene a los átomos en su lugar. Los científicos simularon este sistema en una computadora para entender cómo cambia el orden al aumentar la temperatura.

Un conductor ordinario deja pasar la corriente igual en ambas direcciones, como una puerta que se abre hacia dentro y hacia fuera. Un diodo, en cambio, es una puerta con cierre hidráulico: en un sentido se abre con facilidad, pero en el otro opone resistencia.

Una barra metálica de cinco metales distintos —hafnio, niobio, escandio, titanio y circonio— reposa en el horno. Tras calentarla a 600 grados, en su interior aparecen zonas que recuerdan a un patrón de dos metales entremezclados, como vetas de mármol.

Una aleación metálica se parece a un cóctel: mezclas varios elementos y obtienes un material con nuevas propiedades. Pero si el camarero prueba la bebida, los ingenieros necesitan saber de antemano cómo se comportará la aleación en el trabajo. Por ejemplo, si resistirá altas temperaturas y no perderá su capacidad de conducir corriente.

Dentro de una celda de combustible, los protones deben correr rápidamente a través del material sólido, como pasajeros a través de torniquetes en hora punta. Si los torniquetes son escasos y estrechos, la corriente es débil. Antes, para encontrar un material con buena conductividad protónica, los químicos probaban compuestos casi a ciegas, uno por uno.

Un cable normal se calienta cuando lo atraviesa la corriente. Un superconductor, no. Pero casi todos los superconductores conocidos funcionan o a temperaturas muy bajas o bajo presiones enormes, como en el interior de los planetas. Los científicos llevan tiempo buscando un material que evite esos extremos.

La electrónica se calienta. Cuanto más potente es el procesador, más calor hay que disipar, o de lo contrario falla. Uno de los cuellos de botella es la frontera entre dos materiales: el calor choca contra ella como contra una junta entre baldosas y se ralentiza.

Un fotón de rayos X entra en el sensor como una piedrita en aguas tranquilas. El agua es una fina película de aluminio y manganeso, enfriada casi hasta el cero absoluto. El impacto en la película genera una onda de calor, y por su altura se puede saber cuánta energía traía el fotón.

En la red cristalina del seleniuro de hierro, los átomos de hierro y selenio se alternan como ladrillos en un muro. Pero a veces, en los huecos entre ellos se cuelan átomos de hierro extra, como invitados no deseados que se meten en las grietas entre los ladrillos.