29.04.2020 - Technische Universität Wien

Superconductividad: Es la falla del hidrógeno

Con los nuevos níquelatos y el poder de predicción de las supercomputadoras al superconductor sin ningún tipo de refrigeración

El níquel se supone que anuncia una nueva era de superconductividad - pero esto está resultando más difícil de lo esperado. Los científicos de la Universidad Técnica de Viena pueden ahora explicar por qué.

El verano pasado, se proclamó una nueva era para la superconductividad de alta temperatura - la edad del níquel. Se descubrió que hay superconductores prometedores en una clase especial de materiales, los llamados níquelatos, que pueden conducir la corriente eléctrica sin ninguna resistencia incluso a altas temperaturas.

Sin embargo, pronto se hizo evidente que estos resultados inicialmente espectaculares de Stanford no podían ser reproducidos por otros grupos de investigación. La TU Wien (Viena) ha encontrado ahora la razón de esto: En algunos niquelados se incorporan átomos adicionales de hidrógeno en la estructura del material. Esto cambia completamente el comportamiento eléctrico del material. En la producción de los nuevos superconductores, este efecto debe ser tenido en cuenta.

La búsqueda de superconductores de alta temperatura

Algunos materiales sólo son superconductores cerca de la temperatura cero absoluta - tales superconductores no son adecuados para aplicaciones técnicas. Por lo tanto, durante décadas, la gente ha estado buscando materiales que permanezcan superconductores incluso a temperaturas más altas. En la década de 1980, se descubrieron los "superconductores de alta temperatura". Sin embargo, lo que en este contexto se denomina "altas temperaturas" sigue siendo muy frío: incluso los superconductores de alta temperatura deben enfriarse fuertemente para obtener sus propiedades superconductoras. Por lo tanto, continúa la búsqueda de nuevos superconductores a temperaturas aún más altas.

"Durante mucho tiempo, se prestó especial atención a los llamados cupratos, es decir, compuestos que contienen cobre. Por eso también hablamos de la edad del cobre", explica el Prof. Karsten Held del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena. "Con estos cupratos, se hicieron algunos progresos importantes, aunque todavía hay muchas cuestiones abiertas en la teoría de la superconductividad de alta temperatura hoy en día".

Pero desde hace algún tiempo, otras posibilidades también han sido consideradas. Ya existía la llamada "edad de hierro" basada en superconductores que contienen hierro. En el verano de 2019, el grupo de investigación de Harold Y. Hwang de Stanford logró demostrar la superconductividad de alta temperatura en los níquelatos. "Basándonos en nuestros cálculos, ya propusimos los níquelatos como superconductores hace 10 años, pero eran algo diferentes de los que se han descubierto ahora. Están relacionados con los cupratos, pero contienen níquel en lugar de átomos de cobre", dice Karsten Held.

El problema con el hidrógeno

Sin embargo, tras cierto entusiasmo inicial, en los últimos meses se ha puesto de manifiesto que los superconductores de níquelato son más difíciles de producir de lo que se pensaba inicialmente. Otros grupos de investigación informaron de que sus níquelatos no tienen propiedades superconductoras. Esta aparente contradicción se ha aclarado ahora en la Universidad de Viena.

"Analizamos los níquelatos con la ayuda de supercomputadoras y encontramos que son extremadamente receptivos al hidrógeno en el material", informa Liang Si (Universidad Técnica de Viena). En la síntesis de ciertos níquelatos se pueden incorporar átomos de hidrógeno, lo que cambia completamente las propiedades electrónicas del material. "Sin embargo, esto no sucede con todos los níquelatos", dice Liang Si, "Nuestros cálculos muestran que para la mayoría de ellos, es energéticamente más favorable incorporar hidrógeno, pero no para los níquelatos de Stanford. Incluso pequeños cambios en las condiciones de síntesis pueden hacer la diferencia". "El 24.04.2020 el grupo alrededor de Ariando Ariando de la NUS Singapur podría informar que también tuvieron éxito en la producción de níquelatos superconductores. Dejaron escapar inmediatamente el hidrógeno que se libera en el proceso de producción.

Calculando la temperatura crítica con las supercomputadoras

En la Universidad Técnica de Viena se están desarrollando nuevos métodos de cálculo por ordenador que se utilizan para comprender y predecir las propiedades de los níquelatos. "Dado que un gran número de partículas físicas cuánticas siempre juegan un papel aquí al mismo tiempo, los cálculos son extremadamente complejos", dice Liang Si, "Pero combinando diferentes métodos, ahora somos incluso capaces de estimar la temperatura crítica hasta la que los diversos materiales son superconductores". Tales cálculos fiables no han sido posibles antes".

En particular, el equipo de la Universidad Técnica de Viena fue capaz de calcular el rango permitido de concentración de estroncio para el cual los níquelatos son superconductores, y esta predicción se ha confirmado ahora en el experimento.

"La superconductividad de alta temperatura es un campo de investigación extremadamente complejo y difícil", dice Karsten Held. "Los nuevos superconductores de níquel, junto con nuestra comprensión teórica y el poder de predicción de los cálculos informáticos, abren una perspectiva totalmente nueva sobre el gran sueño de la física del estado sólido: un superconductor a temperatura ambiente que, por lo tanto, funciona sin ningún tipo de refrigeración".

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