Científicos de Penn State acercan los superconductores a temperatura ambiente

La investigación sobre superconductores ha dado un paso significativo gracias a un equipo de científicos de Penn State, quienes desarrollaron un nuevo método para identificar materiales que podrían funcionar como superconductores a temperaturas más altas. Este avance podría transformar la tecnología energética, permitiendo la transmisión de electricidad sin pérdidas.

El desafío de los superconductores fríos

A pesar de su potencial, la mayoría de los materiales superconductores actuales requieren temperaturas extremadamente bajas para funcionar, lo que limita su aplicación en tecnología cotidiana. El equipo de Penn State, respaldado por el programa "Theory of Condensed Matter" del Departamento de Energía de EE. UU., creó un enfoque computacional innovador para predecir qué materiales podrían mostrar superconductividad a temperaturas más altas, incluso cercanas a la temperatura ambiente.

Una nueva mirada a un misterio antiguo

La predicción de la superconductividad, especialmente en materiales que podrían operar a temperaturas más altas, ha sido un desafío no resuelto. Las teorías existentes se han considerado precisas solo para superconductores a baja temperatura, según explicó Zi-Kui Liu, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State. "El objetivo siempre ha sido aumentar la temperatura a la que persiste la superconductividad", afirmó Liu, quien lideró el estudio publicado en Superconductor Science and Technology.

Cómo la teoría clásica explica los superconductores

Durante décadas, los científicos han utilizado la teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) para describir cómo funcionan los superconductores convencionales a temperaturas muy bajas. Según esta teoría, los electrones se mueven sin resistencia debido a interacciones con vibraciones en la red atómica, conocidas como fonones. Estas interacciones permiten que los electrones se emparejen en lo que se conoce como pares de Cooper, que se mueven sincronizadamente a través del material, evitando colisiones atómicas y pérdidas de energía en forma de calor.

"Imagina una autopista solo para electrones", explicó Liu. "Si hay demasiadas rutas, los electrones chocan con obstáculos y pierden energía. Pero si creas un túnel recto para ellos, como la Autobahn en Alemania, pueden viajar rápido y libremente sin resistencia".

La búsqueda de energía sin resistencia

Esta capacidad de transmitir energía sin resistencia es lo que hace que los superconductores sean tan prometedores. Si los científicos pueden desarrollar materiales que mantengan la superconductividad a temperaturas más altas, la electricidad podría viajar más lejos, más rápido y de manera más eficiente, transformando los sistemas energéticos globales. Para comprender este fenómeno, el proyecto respaldado por el Departamento de Energía utiliza herramientas computacionales conocidas como teoría funcional de la densidad (DFT), que ayuda a modelar cómo se comportan los electrones en conductores ordinarios en comparación con los superconductores.

Introduciendo la teoría de zentropía

El avance se centra en un concepto llamado teoría de zentropía, que fusiona principios de la mecánica estadística con la física cuántica y el modelado computacional moderno. La teoría de zentropía vincula la estructura electrónica de un material con cómo sus propiedades cambian con la temperatura, revelando cuándo se transforma de un estado superconductor a uno no superconductor. Para aplicar la teoría, los científicos deben entender cómo se comporta un material a cero absoluto (cero Kelvin), la temperatura más baja posible, donde toda la "motion" atómica cesa.

Prediciendo la próxima generación de superconductores

Según Liu, el nuevo método permite a los científicos predecir si un material podría volverse superconductor. La teoría de zentropía puede estimar la temperatura crítica a la que el material pierde esa propiedad. La teoría clásica BCS explica con éxito los superconductores que operan solo a temperaturas muy bajas, pero falla para las variedades de alta temperatura, donde los pares de Cooper se rompen más fácilmente. A través del modelado DFT, el grupo de Liu descubrió que en los superconductores de alta temperatura, la "autopista" electrónica se mantiene estable gracias a una estructura atómica única, similar a un puente flotante que se flexiona con las olas, permitiendo que los electrones se muevan suavemente incluso cuando aumentan las vibraciones térmicas.

Utilizando este enfoque combinado, el equipo predijo con éxito el comportamiento superconductor en materiales convencionales y de alta temperatura, incluyendo uno que la teoría tradicional no pudo explicar. También pronosticaron una posible superconductividad en metales como el cobre, la plata y el oro, que normalmente no se consideran superconductores, probablemente porque requerirían temperaturas extremadamente bajas para que el efecto aparezca. Estos hallazgos podrían acelerar el descubrimiento de nuevos materiales que funcionen como superconductores a temperaturas más altas y prácticas.

Próximos pasos en la búsqueda de superconductores prácticos

Los investigadores de Penn State ahora planean expandir su trabajo de dos maneras. Primero, utilizarán la teoría de zentropía para predecir cómo la presión afecta la temperatura a la que los superconductores pierden su resistencia. En segundo lugar, buscarán en una base de datos masiva de cinco millones de materiales para identificar nuevos candidatos que podrían exhibir superconductividad. El objetivo es encontrar los materiales más prometedores y colaborar con investigadores experimentales para probarlos.

"No solo estamos explicando lo que ya se conoce", dijo Liu. "Estamos construyendo un marco para descubrir algo completamente nuevo. Si tenemos éxito, este enfoque podría llevar al descubrimiento de superconductores de alta temperatura que funcionen en entornos prácticos, potencialmente incluso a temperatura ambiente si existen. Ese tipo de avance podría tener un impacto enorme en la tecnología moderna y los sistemas energéticos".

Shun-Li Shang, profesor de investigación de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State, es co-investigador en este estudio. La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía de EE. UU.