superconductor de alta temperatura

Imaginen una orquesta en la que violines y trompetas tocan partituras distintas, pero juntos producen un sonido potente. En el cristal del imán laminar Fe5GeTe2 dopado con níquel, el papel de esos instrumentos lo asumen unas regiones diminutas de otra fase: los nanoprecipitados de Fe6GeTe2.

Imagina un atizador que se introduce en el hogar de un alto horno. El acero común se ablanda y se dobla en cuestión de minutos. Las superaleaciones de níquel, con las que se fabrican los álabes de los motores a reacción, funcionan hasta 1300 °C, pero más allá también claudican.

Un diminuto agujero negro atraviesa una nube de hidrógeno y estira los átomos como si fueran caramelo. Así se ve un superconductor cuando alberga una corriente persistente: el material en el que la electricidad fluye sin pérdidas se convierte en un imán permanente en miniatura.

Una fina capa de arseniuro de indio está escondida bajo una película superconductora, como una voz bajo el ruido de la multitud. En este híbrido, la corriente elige el camino de menor resistencia y casi toda fluye por el metal, por lo que el semiconductor permanece inaudible para los instrumentos convencionales.

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.

El horno microondas calienta la comida, pero en el laboratorio las microondas han hecho algo distinto: han convertido un superconductor en un imán permanente. Una película de óxido de itrio, bario y cobre de 300 nanómetros de espesor, enfriada a 80 kelvin, respondió a una radiación de 5 gigahercios.

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.

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 puente por el que peatones y ciclistas circulan en el mismo flujo sin estorbarse. Así funcionan, más o menos, los sistemas híbridos de superconductores y semiconductores: unos transportan corriente sin pérdidas y otros controlan esa corriente.

El universo nos envía señales constantemente, pero muchas son demasiado débiles para percibirlas. Los neutrinos reliquia —partículas que quedaron del Big Bang— atraviesan la Tierra por miles de millones cada segundo, pero atrapar al menos uno es una hazaña al borde de lo posible.

Un diminuto sándwich de óxidos, cultivado capa a capa, se vuelve perfectamente conductor a unos 200 grados bajo cero. No es un truco, sino un nuevo capítulo en la búsqueda de superconductores de alta temperatura.

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.

Una lámina de cerámica tan fina como una película de jabón, y por ella fluye corriente sin la menor resistencia. Así se ve la superconductividad lograda en niquelatos, parientes de los famosos superconductores de cuprato.

Un pastel de capas en el que cada capa conduce la electricidad de manera distinta: así es el cristal La3Ni2O7, un compuesto de níquel, lantano y oxígeno. La corriente a lo largo de las capas fluye de forma diferente que a través de ellas.

Panal lleno de "miel" electrónica. En estado normal, los electrones se mueven de forma desordenada, pero al enfriarse fuertemente pueden unirse en pares: así nace la superconductividad. La forma de estos pares, o simetría de apareamiento, determina las propiedades del material: unos bailan vals, otros foxtrot.

Un trozo de metal se enfría a menos doscientos grados y la corriente eléctrica empieza a fluir sin la menor fricción, como si el agua en una tubería se deslizara sin tocar las paredes. Ese comportamiento se llama superconductividad.

El libro está abierto por la mitad. Por el lomo corre la corriente, y las páginas permanecen frías. Así funciona un aislante topológico bidimensional: un material donde la electricidad fluye solo por los bordes, mientras el interior permanece inmóvil.

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

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.

Imagina un rascacielos construido no con ladrillos individuales, sino con apartamentos tipo estudio completos. Así es exactamente como está estructurado el cristal Au₆Te₁₂Se₈: sus nodos no son átomos, sino clústeres superatómicos de oro y calcógenos que se comportan como objetos cuánticos unitarios.

En una piscina, el agua suele esparcirse en círculos desde la piedra que se lanza. Pero si se dirige el flujo estrictamente a lo largo del borde, el agua corre solo por el borde. Algo parecido se ha observado en trozos del cristal superconductor FeTe0.55Se0.45.

En el cristal CsV3Sb5-xSnx, que a bajas temperaturas se vuelve superconductor, la corriente no fluye como un flujo continuo, sino por estrechos caminos sinuosos.

Normalmente, la superconductividad es una historia de frío. Cuanto más baja la temperatura, más fácil que los electrones se emparejen y fluyan sin resistencia. Pero en un nuevo trabajo, los físicos cultivaron películas delgadas de niquelatos con una adición de europio y observaron el panorama inverso.

La orquesta coordinada de electrones en un superconductor es fácil de sacar de ritmo. Los golpes térmicos destruyen el frágil orden y la resistencia regresa. Durante décadas, los científicos han buscado formas de fortalecer este conjunto, principalmente cambiando la composición del material o comprimiéndolo a presiones inimaginables.

Una película delgada de óxido de itrio, bario y cobre se calienta bajo un flujo de rayos infrarrojos y, de repente, deja de disipar energía. Esto es la superconductividad: los electrones se unen en pares y se mueven como un enjambre cuántico único.

En algunos materiales, la corriente eléctrica puede fluir sin la menor pérdida: esto es la superconductividad. Pero antes de convertirse en superconductor, la materia suele pasar por un estado extraño: los electrones ya se sienten entre sí y forman pares, pero aún no pueden moverse en conjunto.

Mediante espectroscopía láser — un método que puede compararse con escuchar el eco de un cristal — los físicos investigaron un material en capas. Encontraron regiones donde los electrones se mueven libremente (bolsas de Fermi) y observaron que cada una de esas regiones se comporta de manera diferente.

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.

Los electrones en un conductor son como una multitud caótica: al chocar, pierden energía y surge la resistencia. En un superconductor, en cambio, se mueven de manera coordinada, como parejas en un baile sincronizado, sin rozarse. Este estado tiene una entropía reducida, es decir, menos desorden. Este comportamiento es raro en el oro y el cobre.

Una sartén larga y estrecha hace que un panqueque fino se congele en franjas irregulares. Durante décadas, los científicos vieron un panorama similar al modelar el comportamiento de los electrones en superconductores, materiales que conducen corriente sin pérdidas.

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.

Un diodo ordinario en electrónica funciona como una carretera de un solo sentido: la corriente solo circula en una dirección. En los superconductores, donde la electricidad fluye sin resistencia, tal comportamiento ha sido difícil de lograr durante mucho tiempo: la corriente suele ser simétrica.

Un estadio abarrotado: los aficionados se mueven caóticamente, creando aglomeraciones y resistencia. Así se comportan los electrones en un conductor ordinario. En la superconductividad, se emparejan y se mueven en sincronía, como espectadores que se toman de la mano y abandonan las gradas con calma, sin pérdida de energía.

Un diapasón suena cada vez más débil no porque dejen de sostenerlo, sino porque la propia mano que lo golpea crea a su alrededor una suspensión invisible que amortigua las vibraciones. Algo parecido le ocurre a un resonador superconductor: una diminuta pista por la que una señal de microondas viaja casi sin pérdidas.

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.

Las hileras de cables que van de la sala templada al frigorífico con el chip cuántico recuerdan a una centralita telefónica enredada del siglo pasado. Cada cúbit exigía su propio canal analógico para un ajuste fino, y los cables aportaban calor extra y se enredaban entre las manos.

Un cristal es como una ciudad: si las calles son torcidas, el tráfico se atasca. En un cristal, el papel de las calles lo juegan las filas de átomos, y el tráfico es el flujo de electrones. Cualquier pequeña irregularidad, impureza o desplazamiento de un átomo hace que los electrones se dispersen.

Una memoria USB normal en el bolsillo se calienta incluso cuando está simplemente guardada. Ahora imagina una memoria que en el frío casi no gasta nada, como un termo que no se enfría. El superconductor a la temperatura del helio líquido conduce la corriente sin pérdidas, pero no podía almacenar datos. La nueva celda cambia eso.

Cuando pulsas el interruptor, la luz no se enciende de inmediato: los electrones en los cables necesitan tiempo para 'ponerse en marcha' y moverse juntos. En los metales y semiconductores comunes, la corriente gana fuerza gradualmente, como el agua en una manguera cuando acabas de abrir el grifo.