mecanismos de mejora de la superconductividad

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 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.

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.

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.

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.

En la termodinámica clásica, las máquinas térmicas son como un músico virtuoso en el escenario: cuanto más cerca de la perfección en la ejecución (eficiencia de Carnot), más lento es el tempo (potencia).

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.

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.

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.

Una banda elástica que se vuelve más gruesa cuanto más la estiras. En electricidad, este comportamiento se llama capacitancia negativa: cuanto más carga se acumula en las placas, menor es el voltaje. Un condensador normal funciona al revés: el voltaje aumenta junto con la carga.

Si calientas un clavo en una fogata, se alarga; eso lo sabe cualquiera. Pero si calientas solo la punta y dejas el otro extremo frío, el clavo no solo se hace más largo: se curva, porque el metal caliente se expande más que el frío. Esa misma curvatura, pero a nivel atómico, es lo que los físicos han convertido en electricidad.

Un superconductor se parece a una ronda perfecta de electrones: se mueven en parejas sin perder energía, como bailarines que nunca pierden el ritmo. Pero basta con añadir algunas impurezas magnéticas, y en la ronda se cuelan intrusos que perturban el movimiento sincronizado. La temperatura a la que comienza este baile desciende.

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.

Un superconductor es un material por el que la corriente fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero para que la tubería sea perfecta, hay que enfriarla a una temperatura muy baja.

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.

Un amplificador molecular es como un pestillo en una puerta: una señal débil abre el paso a una fuerte. En las células vivas, estos amplificadores trabajan constantemente, pero casi siempre gastan combustible. ¿Se puede amplificar una señal sin consumir energía?

Una alfombra está lisa, pero si la empujas desde un borde, se forman pliegues. En una película delgada de sulfuro de tántalo (1T-TaS2), los pliegues de electrones —las ondas de carga— se congelan como si la alfombra estuviera pegada al suelo. Para moverlas, hay que aplicar una fuerza.

Normalmente, la corriente en un metal actúa como agua hirviendo sobre el hielo: calienta el material y destruye el orden magnético. Pero en una estructura laminar de ditelururo de wolframio y el ferromagneto Fe3GeTe2, la corriente se comporta de otra manera.

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.

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.

Ciertos materiales, cerca del cero absoluto, superconducen: la electricidad fluye sin pérdidas. La temperatura crítica marca el inicio. John Bardeen y sus colegas explicaron que las vibraciones atómicas unen a los electrones en pares de Cooper.

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.

Un superconductor es un material que, a muy baja temperatura, conduce la electricidad sin pérdidas: los electrones se mueven sin chocar entre sí, como una multitud que camina por un pasillo perfectamente liso.

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.

La luz en los semiconductores nace de pares de cargas: un electrón y un hueco que se atraen mutuamente, como un imán a la puerta de la nevera. Ese par se llama excitón. Si al par se le añade otra carga, se obtiene un trión: un trío de tres partículas.

En un metal grueso, los electrones son como una orquesta desafinada: cada instrumento va por su cuenta, el sonido general es ruido. Pero lamina el metal hasta una película de un par de átomos — y los electrones de repente empiezan a «tocar» en armonía, conduciendo la corriente sin disonancia.

Un superconductor normal solo funciona en el congelador de la naturaleza: a temperaturas por debajo de los cien grados bajo cero. El material de bolas de carbono K₃C₆₀ no es una excepción: sin frío, opone resistencia a la corriente, como una multitud en un pasillo estrecho.

Los superconductores son materiales que conducen la electricidad sin pérdidas, pero normalmente sus propiedades son fijas. En este nuevo trabajo, los científicos construyeron un dispositivo similar a un cruce de dos pistas superconductoras.

Un cristal superconductor se comprime en una celda pequeña, como si se sujetara en un tornillo de banco, pero con agua para que la presión se distribuya uniformemente. Una presión de hasta 1,08 GPa (aproximadamente cien veces mayor que la de un neumático de automóvil) apenas cambia la temperatura a la que el material pierde su resistencia.

La forma habitual de congelar una célula viva se parece a intentar ponerle un traje espacial: primero hay que introducir la sustancia protectora, pero mientras esta atraviesa la membrana, la célula puede reventar por el cambio de sales o intoxicarse con la química.