superconductividad a temperatura ambiente

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 película transparente de óxido de bismuto y wolframio reposa sobre un sustrato sin conducir la corriente. Tres minutos en una nube de plasma de nitrógeno bastan para que se vuelva negra y su resistencia caiga mil millones de veces.

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.

Un traductor universal para todos los dialectos del sodio. El sodio líquido en un reactor se comporta de manera diferente: junto a la pared de la tubería es denso y rápido, en la superficie de ebullición es diluido y lento. Antes, para cada uno de estos estados se necesitaba un conjunto separado de cálculos, como si para cada frase hubiera que contratar a un traductor nuevo.

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 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.

El agua caliente después de la ducha, el aire cálido de la ventilación, las paredes calientes del motor: todo esto es calor por debajo de 100 °C. Normalmente se disipa sin hacer ningún trabajo útil. Ahora se puede capturar y convertir en electricidad. Dentro del nuevo dispositivo hay un alambre de aleación de níquel y titanio.

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.

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.

Una fina película de un cristal especial, como el disulfuro de molibdeno, reposa sobre la platina del microscopio. La temperatura es ligeramente superior a aquella en la que el material se vuelve superconductor.

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.

El calor nos rodea por todas partes: desde el tubo de escape de un automóvil hasta la carcasa de una computadora portátil en funcionamiento. Los materiales termoeléctricos podrían convertir ese calor residual en electricidad.

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 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.

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.

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.

Una diminuta esfera de una fracción de miligramo, suspendida en un campo magnético y enfriada casi hasta el cero absoluto, oscila 110 horas sin detenerse: un récord de aislamiento. La pérdida de energía es tan pequeña que la entropía del sistema casi no aumenta, y cualquier influencia externa se vuelve detectable.

Un superconductor no deja que el campo magnético penetre en su interior. Pero si el campo es intenso, acaba entrando, no como un flujo continuo, sino en forma de hilos de vórtice individuales, parecidos a pequeños tornados. Dentro de cada hilo, la superconductividad queda destruida, y alrededor fluye una corriente que no se atenúa.

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.

Una multitud en una calle estrecha avanza lentamente porque la gente choca entre sí. En el silicio, el calor se transfiere mediante "empujones" similares: vibraciones de los átomos llamadas fonones. Si se perforan diminutos agujeros en una película de silicio, los fonones chocan con ellos como peatones con postes, y el calor fluye peor.

El cristal que prometía conducir electricidad sin pérdidas a temperatura ambiente resultó ser como un castillo de naipes: tócalo y se desmorona. Dos compuestos, uno con plata y otro con oro, se consideraban candidatos a superconductores, pero la prueba mostró que ambos no resisten ni siquiera las condiciones normales. En la variante de plata, la red simplemente colapsa.

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.

Un trozo de metal al rojo vivo en un horno es como una sartén en la cocina: cuanto más fuerte es el calor, más rápido se transmite a la mano si la tocas. Pero a temperaturas en las que el metal ya está cerca de fundirse, medir esa velocidad es muy difícil: los sensores no se adhieren bien, el calor se escapa al aire y la propia muestra brilla y confunde los instrumentos.

En un cristal aislante, el calor normalmente se propaga del extremo caliente al frío. Pero si se activa un campo magnético, parte del flujo de calor se desvía hacia un lado, como el agua que, al deslizarse por una pendiente, se desplaza ligeramente hacia un costado cuando el viento la empuja. Este comportamiento se conoce como efecto Hall térmico.

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.

Dos coches idénticos salen de la misma cadena de montaje. Carrocería, ruedas, volante: todo coincide. Solo que uno lleva un motor de gasolina normal y el otro uno híbrido que se puede ajustar a la carretera. Y el híbrido se cala a los pocos kilómetros, mientras que el de gasolina recorre decenas.

La aleación de paladio y teluro, a la que se añadió un poco de oro, se comporta como un conductor que pierde resistencia al enfriarse.

Convertir gases ligeros, como el hidrógeno y el nitrógeno, en metal es un viejo sueño de los físicos. En un nuevo experimento, el nitrógeno se comprimió a 130–140 gigapascales (presión equivalente a 14 millones de kilos sobre una uña) y se calentó a 3000°C.

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 pila de láminas delgadas de diferentes materiales descansa sobre la mesa. Si se calienta desde abajo, el calor subirá, pero ¿se extenderá igual de rápido hacia los lados? En los semiconductores en capas, la respuesta es no: a lo largo de las capas el calor viaja más rápido que a través de ellas.

En algunos cristales, los electrones se organizan en una onda, como ondas en la superficie del agua, pero de carga. Normalmente, esa onda solo existe con un frío intenso. Pero en este experimento, los científicos vieron que las huellas de la onda permanecen incluso a temperatura ambiente.

Un haz de rayos X incide sobre un trozo de superconductor y este se calienta de forma casi imperceptible. Ese aumento de temperatura, de milmillonésimas de grado, es la única huella que deja la luz. El nuevo detector lo capta, como un termómetro muy sensible pegado a un metal frío.

El hierro es un imán, no un conductor sin resistencia. Pero si a una aleación de hierro con arsénico y oxígeno se le añade un poco de flúor, el panorama cambia. Los científicos tomaron el compuesto PrFeAsO y fueron reemplazando gradualmente el oxígeno por flúor.

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.

Un objeto rojo lejano suele significar una cosa: estamos ante un velo de polvo sobre un disco ardiente que cae en un agujero negro. Pero cuando el James Webb descompuso su luz en matices, en su interior apareció una sombra, exactamente como el vapor de agua hirviendo que intercepta los rayos.

Un ion de calcio en una trampa magnética se asemeja a una bolita que no deja de temblar por el calor. Para lograr que se quede quieta, los físicos suelen dispararle con láseres desde distintos lados. Pero en el nuevo experimento bastó con un solo rayo dirigido a lo largo del eje de la trampa.

Un diminuto imán hecho de capas de azufre, cromo y bromo yace sobre la platina de un microscopio. Dentro de él, como invitados inesperados, se encuentran átomos de erbio, un metal de tierras raras. Estos átomos pueden brillar si se iluminan con un láser, y su luz revela lo que sucede a su alrededor.

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.

La memoria de computadora común gasta energía constantemente para no olvidar lo que se ha guardado. Un superconductor podría almacenar datos sin pérdidas, pero es difícil hacer que conmute. En el nuevo trabajo, el superconductor está intercalado entre dos aislantes magnéticos.