superconductividad en niquelatos

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.

Una fina película de nitruro de circonio descansa sobre un sustrato de óxido de magnesio. El espesor es de dos décimas de micra, como una telaraña, pero en su interior hierve una vida cuántica. Al enfriarse a medio kelvin, la superconductividad no desaparece de inmediato: se descompone en raros islotes que aún se mantienen en medio del desorden.

En el armario de la química se acumulaban registros de sustancias que nadie consideraba especiales. Resulta que entre ellas se esconden materiales bidimensionales: delgados como una hoja de papel, pero resistentes y con propiedades inesperadas.

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.

El detective cósmico comenzó con un destello discreto en el rango óptico. El objeto AT2019wzc se encendía y apagaba lentamente, como una brasa que se consume. Pero en su interior se escondía algo mucho más energético: ráfagas repetidas de rayos X blandos que los astrónomos llaman erupciones cuasiperiódicas. Estas erupciones duran minutos u horas y se repiten cada varias horas o días.

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.

El cristal estratificado La₃Ni₂O₇ bajo presión se comporta como una orquesta en la que el director cambia el volumen de los distintos grupos de instrumentos. Al comprimirlo, aumentan los saltos de electrones entre capas; parecería que esto debería reforzar la superconductividad. Pero al mismo tiempo, parte de los electrones se vuelve demasiado móvil.

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.

La corriente sin pérdidas es el sueño de la energía. Algunos materiales se vuelven superconductores, pero normalmente solo a un frío extremo. Recientemente, en la familia de los niquelatos, compuestos a base de níquel, se han encontrado candidatos que funcionan a temperaturas más altas.

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.

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.

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.

En el lodo turbio, entre dos electrodos, se forman largas cadenas de bacterias, finas como un cable microscópico. Cada uno de estos filamentos conduce corriente a lo largo de un centímetro entero, una verdadera maratón para un microbio.

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 puente hecho con dos filas de tablones se comba bajo los pies de los peatones, y cada paso recibe ayuda del movimiento elástico del piso. Un principio similar está en la base de la superconductividad: los electrones se deslizan sin resistencia porque la red atómica se adapta a ellos.

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.

El cristal La3Ni2O7 se asemeja a un pastel en capas, donde el relleno de átomos de níquel y oxígeno se alterna con capas de lantano.

Dos láminas de semiconductor tan finas como papel se superponen y se giran ligeramente, unos tres o cuatro grados. Las redes atómicas no coinciden y aparece un patrón grande: el muaré, parecido a la ondulación de dos tablas de lavar desplazadas un pequeño ángulo. En este patrón, los electrones se mueven de manera muy distinta a como lo hacen en un cristal normal.

Un pastel en capas de planos atómicos de níquel y oxígeno: así están hechos los niquelatos de doble capa. En ellos, dos de estos planos están separados por una interlámina. Si en esa interlámina se encuentra un átomo de oxígeno, actúa como un puente: conecta las capas y activa un estado en el que los electrones se mueven sin resistencia.

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.

Un cuchillo de cocina común de niobio, a −258 °C, de repente empieza a conducir la electricidad sin pérdidas. Así funciona la superconductividad, y se puede "activar" directamente en la superficie del metal si se dispara un láser en una atmósfera de nitrógeno.

Un superconductor es un material que, al enfriarse fuertemente, pierde su resistencia eléctrica: la corriente fluye sin pérdidas. Los científicos tomaron un cristal laminar de PdTe2, parecido a una pila de hojas de papel, y lo enfriaron por debajo de 1,8 kelvin (aproximadamente -271 °C). En esas condiciones, el PdTe2 se vuelve superconductor.

La sal de mesa en la cocina hace que la comida sepa mejor, y en el laboratorio ayuda a cultivar cristales de unos pocos átomos de espesor. Los científicos tomaron seleniuro de estaño y, con la ayuda de la sal, hicieron crecer láminas finísimas, tan delgadas que se denominan bidimensionales.

Dentro de los superconductores de cobre —materiales que conducen la corriente sin pérdidas a temperaturas sorprendentemente altas— hay una fase oculta. Se comporta como un metal ordinario, pero no es visible en las mediciones estándar.

La corriente eléctrica en un superconductor es como una multitud que corre por un pasillo sin fricción. Pero en los superconductores de tipo II hay obstáculos: diminutos vórtices de campo magnético que la corriente desplaza. Cuando un vórtice se mueve, aparece resistencia y la corriente disminuye.

Un superconductor es un material que, cuando se enfría mucho, conduce la corriente sin pérdidas, como el agua que fluye por una tubería perfectamente lisa. Pero si lo golpeas con un destello corto de luz, pierde esa propiedad rápidamente.

Una película delgada de niobio y estaño conduce corriente sin resistencia, a menos que se haga demasiado delgada. Entonces, de repente, se convierte en aislante. Un grupo de físicos comprobó qué sucede si se añade un poco más de estaño del que indica la fórmula.

Un ordenador cuántico se parece a un instrumento musical: incluso una diminuta rayadura en una cuerda estropea el sonido. En lugar de cuerdas, tenemos resonadores superconductores: finas pistas de nitruro de titanio sobre una oblea de silicio.

El material en capas (SnS)1.15(TaS2) se asemeja a una pila de hojas de papel donde las láminas conducen la corriente y entre ellas hay capas intermedias que impiden que se peguen. A presión ambiente, este material conduce la corriente sin resistencia, es decir, es un superconductor.

Al pesar un trozo de hielo en un vaso de agua, se puede saber cuánta agua se ha congelado. Si la balanza se equivoca por un factor de tres, el hielo parecerá mucho más de lo que realmente es. Algo similar ocurrió con los cálculos de la fase superconductora en un cristal de níquel, lantano y samario bajo alta presión.

Una balanza mal calibrada muestra más de lo que hay en realidad, y un trozo de queso parece más pesado. Algo similar ocurrió al medir la superconductividad en niquelatos, materiales que conducen corriente sin resistencia bajo ciertas condiciones.

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 camiseta vieja se disolvió en una solución alcalina, se obtuvo un gel, y este se convirtió en el corazón del acumulador de energía. El segundo componente se hizo a partir de quitosano, una sustancia presente en los caparazones de los camarones. Nada de metales: solo algodón reciclado y mariscos.

Un metal es como una cuerda hecha de muchos hilos: si tiras demasiado fuerte, se rompe. Los ingenieros llevan mucho tiempo buscando la manera de hacerlo a la vez resistente y flexible. Normalmente, los aditivos que aumentan la resistencia hacen que el metal se vuelva frágil.

Un superconductor es como una ciudad donde los electrones dejan de empujarse y comienzan a moverse en parejas, como personas que caminan de la mano. En el niquelato de neodimio-estroncio (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂), este 'desfile' ocurre a unos 10 kelvin (menos 263 grados Celsius), pero no de manera uniforme en todas partes.

Los electrones en un metal son como una multitud en el metro: cada uno va por su cuenta, pero ante el menor empujón todos se mueven a la vez. Los físicos llaman plasmón a esa oscilación colectiva del gas electrónico. En los superconductores, estas oscilaciones son especialmente importantes porque revelan cómo interactúan los electrones entre sí.

La punta de una aguja que se desliza sobre una superficie para detectar irregularidades ha adquirido una "nariz" ultrasensible para los campos magnéticos.

A una temperatura de 4,3 grados por encima del cero absoluto, el cristal de telururo de paladio deja de ofrecer resistencia al paso de la corriente eléctrica. Los electrones se agrupan en pares y se mueven sin pérdidas, como una multitud que se toma de las manos. Pero este superconductor parece tener no uno, sino dos modos distintos de agruparse.

Momento dipolar medido del tantalio-181: 3,39 × 10⁻³² e·cm — como notar un desplazamiento de un átomo a la escala del Sistema Solar. Un núcleo atómico normal está perfectamente equilibrado, como un trompo giratorio.