Los dos pasos para lograr el sue?o de la superconductividad a alta temperatura

Los aparatos electr¨®nicos se calientan. Este fen¨®meno que todos hemos experimentado se debe a que los electrones que crean la corriente el¨¦ctrica encuentran obst¨¢culos en su viaje a trav¨¦s de los cables de cobre o de los chips de silicio. De vez en cuando, chocan contra los ¨¢tomos del medio por el que avanzan o colisionan entre ellos produciendo peque?as cantidades de calor que se van acumulando. Ese comportamiento de los electrones cambia a temperaturas extremadamente bajas, como comprob¨® en 1911 el f¨ªsico holand¨¦s Heike Kamerlingh Onnes. El investigador, que fue el primero en producir helio l¨ªquido, utiliz¨® ese material para llevar un cable de mercurio s¨®lido a una temperatura cercana al cero absoluto. En ese punto, la resistencia del cable a la corriente el¨¦ctrica desapareci¨® y Kamerlingh Onnes se convirti¨® en el descubridor de la superconductividad.

Casi medio siglo despu¨¦s, en 1957, se pudo explicar el fen¨®meno. A temperaturas normales, los electrones viajan en solitario y su com¨²n carga negativa hace que se repelan entre ellos. Sin embargo, a bajas temperaturas superan esa repulsi¨®n mutua y se unen en parejas, algo que les permite abandonar su movimiento ca¨®tico y fluir con libertad, sin encontrar obst¨¢culos que los retengan o tropezarse entre ellos. El control de este fen¨®meno ha permitido construir m¨¢quinas como las que permiten hacer resonancias magn¨¦ticas en los hospitales o aceleradores de part¨ªculas como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, en Ginebra.

La posibilidad de obtener superconductividad a temperatura ambiente har¨ªa posible crear mejores motores el¨¦ctricos para aviones

Las aplicaciones de la superconductividad, que permite por ejemplo transportar energ¨ªa sin las p¨¦rdidas que produce la resistencia de los cables convencionales, se ve limitada por el coste de producir helio l¨ªquido para enfriar los materiales hasta casi el cero absoluto, por debajo de los 243 grados bajo cero. En los 80, sin embargo, se descubri¨® que en algunos materiales, b¨¢sicamente ¨®xidos de cobre, se pod¨ªa producir la superconductividad a una temperatura mucho mayor, de hasta 135 grados bajo cero. Aunque sigue siendo mucho fr¨ªo, esto permite obtener el fen¨®meno empleando nitr¨®geno l¨ªquido, mucho m¨¢s asequible que el helio. Producir superconductividad a temperaturas m¨¢s elevadas, incluso a temperatura ambiente, ser¨ªa un sue?o tecnol¨®gico con aplicaciones innumerables, como los trenes magn¨¦ticos que levitan. Pero por ahora no se entiende bien el fen¨®meno y las teor¨ªas que explican la superconductividad convencional no sirven para la temperatura ambiente.

En los superconductores normales, cuando los electrones se emparejan, comienzan a moverse de forma coherente generando la superconductividad, pero en los de alta temperatura esto puede ser diferente. Esta semana, un art¨ªculo de Nature firmado por investigadores de varias instituciones estadounidenses sugiere que, al menos en uno de estos ¨®xidos de cobre, el emparejamiento y el movimiento coherente se pueden producir en dos fases distintas. En un experimento con unas capas de este material de nan¨®metros de grosor observaron que los electrones ya est¨¢n emparejados a temperaturas elevadas, pero que no empiezan a moverse de forma coherente hasta que la temperatura desciende lo suficiente.

¡°Si eso es cierto y ya tienes pares a temperaturas elevadas, la pregunta es: ?Puedes conseguir coherencia a esas temperaturas?¡±, se pregunta en un comunicado de su instituci¨®n el investigador de la Universidad Rice (EE UU) y autor principal del estudio Doug Natelson. ¡°Se podr¨ªa convencer [a los electrones] de que comiencen su baile en una regi¨®n conocida como pseudogap, una fase a temperaturas y escalas energ¨¦ticas mayores que la fase de superconducci¨®n¡±, a?ade.

¡°Para explicar el origen de la superconductividad de alta temperatura, que es algo que por ahora no est¨¢ resuelto, hay dos visiones principales. Por un lado, una que dice que las parejas de electrones se formar¨ªan a una temperatura muy por encima de la transici¨®n superconductora, en muchos casos pr¨®xima a la temperatura ambiente, pero solo a partir de una temperatura m¨¢s baja estos pares estar¨ªan enlazados en un estado cu¨¢ntico colectivo [que har¨ªa que fluyesen sin resistencia]¡±, explica Jacobo Santamar¨ªa, catedr¨¢tico de la Universidad Complutense especializado en este tipo de fen¨®menos.

Si entendemos por qu¨¦ el ¨®xido de cobre es un superconductor a temperaturas tan elevadas, podr¨ªamos ser capaces de sintetizar uno mejor

Sin embargo, existe una visi¨®n contraria en la que habr¨ªa ¡°distintas interacciones entre electrones que compiten entre ellas y solo por debajo de una temperatura, cuando la superconductividad gana, nuclea el estado superconductor¡±, se?ala Santamar¨ªa. ¡°En esta versi¨®n, las interacciones entre los electrones que ocurren a temperaturas m¨¢s altas, en lugar de ser un precursor de la superconductividad, son algo que la dificulta¡±, a?ade. ¡°Este art¨ªculo no resuelve el problema, pero da un resultado experimental claro e importante que apoya la primera visi¨®n¡±, concluye.

Aunque por el momento estos resultados tienen m¨¢s inter¨¦s para comprender desde el punto de vista te¨®rico lo que sucede con la superconductividad de alta temperatura, es parte de un camino para lograr dominarla y producir aplicaciones. ¡°Si entendemos por qu¨¦ el ¨®xido de cobre es un superconductor a temperaturas tan elevadas, podr¨ªamos ser capaces de sintetizar uno mejor que funcione a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente¡±, afirma Ilya Sochnikov, investigador de la Universidad de Conneticut (EE UU) y coautor del estudio.

Seg¨²n cuenta Santamar¨ªa, ya hay comit¨¦s en compa?¨ªas como Airbus que estudian la posibilidad de construir un avi¨®n propulsado con un motor el¨¦ctrico construido con superconductores de alta temperatura. ¡°Lo m¨¢s interesante de todo esto es que el escenario que ha abierto la superconductividad de alta temperatura es compatible con que haya superconductividad a temperatura ambiente. No hay nada en lo que sabemos del mecanismo que impida que eso se pueda hacer y soy optimista en que se conseguir¨¢ en los pr¨®ximos a?os¡±, predice.