Investigación del Instituto Max Planck
22/12/2025 | 00:19
Redacción Cadena 3
Los superconductores son materiales que permiten el flujo de corriente eléctrica sin resistencia, lo que los convierte en elementos clave para tecnologías como la transmisión de energía eficiente, el almacenamiento de energía, sistemas de levitación magnética y computadoras cuánticas. Sin embargo, la superconductividad generalmente ocurre solo a temperaturas muy bajas, lo que limita su uso práctico. Esta situación comenzó a cambiar con el descubrimiento de la superconductividad en materiales ricos en hidrógeno.
El sulfuro de hidrógeno (H3S) se vuelve superconductivo a 203 Kelvin (-70 °C), mientras que el lanthanum decahidrido (LaH10) alcanza la superconductividad a 250 Kelvin (-23 °C). Estas temperaturas son significativamente más altas que las de los superconductores anteriores y están por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido, lo que lleva a los científicos a clasificarlos como superconductores de alta temperatura. Su descubrimiento marcó un paso importante hacia el objetivo de la superconductividad a temperatura ambiente.
La brecha superconductora y su importancia
En el corazón de la superconductividad se encuentra una característica conocida como la brecha superconductora. Esta propiedad revela cómo los electrones se unen para formar el estado superconductivo y sirve como una firma clara que distingue a un superconductor de un metal ordinario. Comprender la brecha superconductora es esencial, ya que refleja directamente cómo interactúan los electrones dentro del material. Sin medir esta brecha, los científicos no pueden explicar completamente por qué un material se vuelve superconductivo o qué mecanismo hace que la resistencia desaparezca.
La dificultad de medir superconductores de hidrógeno
A pesar de su importancia, los superconductores ricos en hidrógeno, como el H3S, han sido extremadamente difíciles de estudiar. Estos materiales solo pueden crearse bajo presiones enormes que superan la presión atmosférica en más de un millón de veces. Debido a estas condiciones extremas, técnicas ampliamente utilizadas como la espectroscopía de túnel y la espectroscopía de fotoemisión no pueden aplicarse. Como resultado, la brecha superconductora en estos materiales había permanecido sin medir, dejando un vacío en la comprensión de cómo funciona la superconductividad a alta temperatura en compuestos ricos en hidrógeno.
Una nueva técnica de túnel rompe la barrera
Para resolver este problema, investigadores del Instituto Max Planck en Mainz desarrollaron un método de espectroscopía de túnel electrónico planar que puede operar bajo estas presiones extremas. Este nuevo enfoque permitió sondear directamente la brecha superconductora en H3S por primera vez. Con esta técnica, el equipo obtuvo una imagen clara del estado superconductivo en materiales ricos en hidrógeno, superando una barrera que había limitado el progreso en el campo durante años.
Lo que revelaron las mediciones
Los investigadores encontraron que el H3S tiene una brecha superconductora completamente abierta de aproximadamente 60 milielectronvoltios (meV). También estudiaron su contraparte de deuterio, D3S, que mostró una brecha más pequeña de aproximadamente 44 meV. Esta diferencia es significativa porque confirma que la superconductividad en H3S es impulsada por interacciones entre electrones y fonones, que son vibraciones cuantizadas de la red atómica de un material. Los resultados apoyan predicciones teóricas de larga data sobre el mecanismo detrás de la superconductividad en compuestos ricos en hidrógeno.
Por qué este avance es importante
Para los investigadores en Mainz, el logro va más allá del éxito técnico. Proporciona una base para descubrir los orígenes fundamentales de la superconductividad a alta temperatura en materiales basados en hidrógeno. "Esperamos que al extender esta técnica de túnel a otros superconductores de hidruro, se puedan identificar los factores clave que permiten la superconductividad a temperaturas aún más altas. Esto debería, en última instancia, permitir el desarrollo de nuevos materiales que puedan operar en condiciones más prácticas", afirmó el Dr. Feng Du, primer autor del estudio publicado.
El Dr. Mikhail Eremets, una figura destacada en la investigación de superconductividad a alta presión que falleció en noviembre de 2024, describió el estudio como "el trabajo más importante en el campo de la superconductividad de hidruros desde el descubrimiento de la superconductividad en H3S en 2015". Vasily Minkov, líder del proyecto de Química y Física de Alta Presión en el Instituto Max Planck, agregó: "La visión de Mikhail sobre superconductores que operan a temperatura ambiente y presiones moderadas se acerca un paso más a la realidad a través de este trabajo".
Una breve historia de la superconductividad
La superconductividad se refiere a la capacidad de ciertos materiales para conducir corriente eléctrica sin resistencia. Fue descubierta por primera vez en mercurio puro en 1911 por Heike Kamerlingh Onnes. Durante muchas décadas, los científicos creyeron que este fenómeno solo podía ocurrir a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 °C). Esa suposición cambió a finales de la década de 1980 cuando Georg Bednorz y Karl Alexander Müller descubrieron superconductores de óxido de cobre, también conocidos como cupratos, que exhibieron superconductividad a alta temperatura bajo presión atmosférica normal. Este descubrimiento provocó esfuerzos de investigación en todo el mundo.
Con el tiempo, los científicos alcanzaron temperaturas críticas (Tc) de aproximadamente 133 K a presión ambiental y 164 K bajo alta presión. Sin embargo, el progreso se estancó hasta que los compuestos ricos en hidrógeno entraron en escena.
Materiales ricos en hidrógeno que empujan los límites
El descubrimiento de la superconductividad en H3S a presiones de megabar, con un Tc = 203 K por el grupo de investigación liderado por el Dr. Mikhail Eremets, representó un punto de inflexión. Poco después, se observaron temperaturas críticas aún más altas en hidruros metálicos ricos en hidrógeno como YH9 (Tc ˜ 244 K) y LaH10 (Tc ˜ 250 K). Los modelos teóricos actuales sugieren que la superconductividad por encima de la temperatura ambiente puede ser posible en varios sistemas dominados por hidrógeno cuando se someten a presión extrema.
Pares de Cooper y el significado de la brecha superconductora
En metales normales, los electrones cerca del nivel de Fermi pueden moverse libremente. El nivel de Fermi representa el nivel de energía más alto que los electrones pueden ocupar en un sólido a cero absoluto. Cuando un material se vuelve superconductivo, los electrones forman pares llamados pares de Cooper y entran en un estado cuántico colectivo. En este estado, los electrones emparejados se mueven juntos sin dispersarse por fonones o impurezas en la red cristalina, lo que elimina la resistencia eléctrica. Este emparejamiento crea una brecha de energía cerca del nivel de Fermi llamada brecha superconductora. La brecha representa la energía mínima requerida para romper un par de Cooper y juega un papel protector al estabilizar el estado superconductivo contra perturbaciones. La brecha superconductora es una característica definitoria de la superconductividad. Su tamaño y simetría proporcionan información crítica sobre cómo interactúan y se emparejan los electrones, convirtiéndola en una clave fundamental del mecanismo superconductivo subyacente.
¿Qué descubrieron los científicos?
Los investigadores midieron el estado superconductivo del sulfuro de hidrógeno, revelando cómo sus electrones se emparejan eficientemente.
¿Quién realizó el estudio?
El estudio fue llevado a cabo por investigadores del Instituto Max Planck en Mainz.
¿Cuándo se publicó el estudio?
El estudio fue publicado el 21 de diciembre de 2025.
¿Dónde se llevó a cabo la investigación?
La investigación se realizó en el Instituto Max Planck para la Química en Alemania.
¿Por qué es importante este descubrimiento?
Este avance acerca la posibilidad de desarrollar superconductores que funcionen a temperatura ambiente, lo que podría revolucionar diversas tecnologías.
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