En un logro histórico, los investigadores de la Universidad de Rochester han creado un material superconductor a una temperatura y presión lo suficientemente bajas para aplicaciones prácticas.

« Con este material, ha llegado el amanecer de la superconductividad ambiental y las tecnologías aplicadas », según un equipo dirigido por Ranga Dias, profesor asistente de ingeniería mecánica y física. En un artículo en Nature, los investigadores describen un hidruro de lutecio dopado con nitrógeno (NDLH) que exhibe superconductividad a 69 grados Fahrenheit y 10 kilobares (145,000 libras por pulgada cuadrada, o psi) de presión.

Aunque 145 000 psi aún pueden parecer extraordinariamente altos (la presión al nivel del mar es de aproximadamente 15 psi), las técnicas de ingeniería de deformación que se utilizan habitualmente en la fabricación de chips, por ejemplo, incorporan materiales que se mantienen unidos por presiones químicas internas que son aún más altas.

Los científicos han estado persiguiendo este avance en la física de la materia condensada durante más de un siglo. Los materiales superconductores tienen dos propiedades clave : la resistencia eléctrica desaparece y los campos magnéticos que se expulsan pasan alrededor del material superconductor. Dichos materiales podrían permitir :

  • Redes eléctricas que transmiten electricidad sin la pérdida de hasta 200 millones de megavatios hora (MWh) de la energía que ahora se produce debido a la resistencia en los cables
  • Trenes de alta velocidad que levitan sin fricción
  • Imágenes médicas más asequibles y técnicas de escaneo como MRI y magnetocardiografía
  • Electrónica más rápida y eficiente para lógica digital y tecnología de dispositivos de memoria
  • Máquinas Tokamak que usan campos magnéticos para confinar plasmas para lograr la fusión como fuente de energía ilimitada

Previamente, el equipo de Dias informó sobre la creación de dos materiales, hidruro de azufre carbonáceo y superhidruro de itrio, que son superconductores a 58 grados Fahrenheit/39 millones de psi y 12 grados Fahrenheit/26 millones de psi, respectivamente, en documentos publicados en Nature y Physical Review Letters.

Dada la importancia del nuevo descubrimiento, Dias y su equipo hicieron todo lo posible para documentar su investigación y evitar las críticas que surgieron a raíz del artículo anterior de Nature, que provocó la retractación de los editores de la revista. El documento anterior se ha vuelto a enviar a Nature con nuevos datos que validan el trabajo anterior, dice Dias. Los nuevos datos se recopilaron fuera del laboratorio, en los Laboratorios Nacionales de Argonne y Brookhaven, frente a una audiencia de científicos que vieron en vivo la transición superconductora. Se ha adoptado un enfoque similar con el nuevo documento.

Cinco estudiantes graduados en el laboratorio de Dias, Nathan Dasenbrock-Gammon, Elliot Snider, Raymond McBride, Hiranya Pasan y Dylan Durkee, figuran como coautores principales. « Todos en el grupo participaron en la realización de los experimentos », dice Dias. « Fue realmente un esfuerzo colectivo ».

‘Sorprendente transformación visual’ en superconductividad y más allá

Los hidruros creados mediante la combinación de metales de tierras raras con hidrógeno y luego la adición de nitrógeno o carbono han brindado a los investigadores una tentadora « receta de trabajo » para crear materiales superconductores en los últimos años. En términos técnicos, los hidruros de metales de tierras raras forman estructuras de jaula similares a clatratos, donde los iones de metales de tierras raras actúan como donantes portadores, proporcionando suficientes electrones que mejorarían la disociación de las moléculas de H2. El nitrógeno y el carbono ayudan a estabilizar los materiales. En pocas palabras: se requiere menos presión para que ocurra la superconductividad.

Además del itrio, los investigadores han utilizado otros metales de tierras raras. Sin embargo, los compuestos resultantes se vuelven superconductores a temperaturas o presiones que aún no son prácticas para las aplicaciones.

Entonces, esta vez, Dias miró a otra parte a lo largo de la tabla periódica.

El lutecio parecía « un buen candidato para probar », dice Dias. Tiene 14 electrones completamente llenos altamente localizados en su configuración orbital f que suprimen el ablandamiento de fonones y mejoran el acoplamiento electrón-fonón necesario para que se produzca la superconductividad a temperatura ambiente. « La pregunta clave era, ¿cómo vamos a estabilizar esto para reducir la presión requerida? Y ahí es donde el nitrógeno entró en escena ».

El nitrógeno, como el carbono, tiene una estructura atómica rígida que se puede utilizar para crear una red más estable, similar a una jaula, dentro de un material y endurece los fonones ópticos de baja frecuencia, según Dias. Esta estructura proporciona la estabilidad para que se produzca la superconductividad a menor presión.

El equipo de Dias creó una mezcla de gases de 99 por ciento de hidrógeno y uno por ciento de nitrógeno, la colocó en una cámara de reacción con una muestra pura de lutecio y dejó que los componentes reaccionaran durante dos o tres días a 392 grados Fahrenheit.

El compuesto de lutecio-nitrógeno-hidrógeno resultante inicialmente tenía un « color azulado brillante », afirma el artículo. Cuando el compuesto se comprimió en una celda de yunque de diamante, se produjo una « transformación visual sorprendente » : de azul a rosa al inicio de la superconductividad, y luego a un estado metálico no superconductor de color rojo brillante.

« Era un rojo muy brillante », dice Dias. « Me sorprendió ver colores de esta intensidad. Sugerimos con humor un nombre en clave para el material en este estado, « materia roja », después de un material que Spock creó en la popular película Star Trek de 2009″. El nombre del código se atascó.

Los 145.000 psi de presión necesarios para inducir la superconductividad son casi dos órdenes de magnitud inferiores a la baja presión anterior creada en el laboratorio de Dias.

Algoritmos de aprendizaje automático para predecir nuevos materiales superconductores

Con el apoyo financiero del premio CAREER de la Fundación Nacional de Ciencias de Dias y una subvención del Departamento de Energía de EE. UU. su laboratorio ahora ha respondido a la pregunta de si el material superconductor puede existir tanto a temperatura ambiente como a presiones lo suficientemente bajas para aplicaciones prácticas.

« Un camino hacia la electrónica de consumo superconductora, las líneas de transferencia de energía, el transporte y las mejoras significativas del confinamiento magnético para la fusión son ahora una realidad », dice Dias. « Creemos que ahora estamos en la era superconductora moderna ».

Por ejemplo, Dias predice que el hidruro de lutecio dopado con nitrógeno acelerará en gran medida el progreso en el desarrollo de máquinas tokamak para lograr la fusión. En lugar de utilizar potentes rayos láser convergentes para hacer implosionar una pastilla de combustible, los tokamaks se basan en fuertes campos magnéticos emitidos por un recinto en forma de dona para atrapar, retener y encender plasmas sobrecalentados. NDLH, que produce un « enorme campo magnético » a temperatura ambiente, « cambiará las reglas del juego » para la tecnología emergente, dice Dias.

Particularmente emocionante, según Dias, es la posibilidad de entrenar algoritmos de aprendizaje automático con los datos acumulados de la experimentación superconductora en su laboratorio para predecir otros posibles materiales superconductores, en efecto, mezclando y combinando miles de posibles combinaciones de metales de tierras raras, nitrógeno, hidrógeno y carbono.

« En la vida cotidiana, tenemos muchos metales diferentes que usamos para diferentes aplicaciones, por lo que también necesitaremos diferentes tipos de materiales superconductores », dice Dias. « Al igual que usamos diferentes metales para diferentes aplicaciones, necesitamos más superconductores ambientales para diferentes aplicaciones ».

El coautor Keith Lawlor ya ha comenzado a desarrollar algoritmos y hacer cálculos utilizando recursos de supercomputación disponibles a través del Centro de Informática de Investigación Integrada de la Universidad de Rochester.

¿Un centro del norte del estado de Nueva York para materiales superconductores?

El grupo de investigación de Dias se mudó recientemente a un laboratorio nuevo y ampliado en el tercer piso de Hopeman Hall en River Campus. Este es el primer paso en un plan ambicioso para lanzar un Centro para la Innovación de Superconductores (CSI) que otorga títulos en la Universidad de Rochester, dice.

El centro crearía un ecosistema para atraer profesores y científicos adicionales a la Universidad para avanzar en la ciencia de la superconductividad. Los estudiantes capacitados ampliarían el grupo de investigadores en el campo.

« Nuestra esperanza es hacer del norte del estado de Nueva York el centro de la tecnología superconductora », dice Dias.

Vídeo : https://youtu.be/ryJxMYX7YEU