Ciencia

Investigadores sintetizan material superconductor a temperatura ambiente

Al comprimir sólidos moleculares simples con hidrógeno a presiones extremadamente altas, los ingenieros y físicos de la Universidad de Rochester han creado por primera vez material que es superconductor a temperatura ambiente.

Presentado como artículo de portada en la revista Nature, el trabajo fue realizado por el laboratorio de Ranga Dias, profesor asistente de física e ingeniería mecánica.

Dias dice que desarrollar materiales que sean superconductores, sin resistencia eléctrica y sin expulsión de campo magnético a temperatura ambiente, es el “santo grial” de la física de la materia condensada. Estos materiales, que se han buscado durante más de un siglo, “definitivamente pueden cambiar el mundo tal como lo conocemos”, dice Dias.

Al establecer el nuevo récord, Dias y su equipo de investigación combinaron hidrógeno con carbono y azufre para sintetizar fotoquímicamente hidruro de azufre carbonoso derivado de compuestos orgánicos simples en una celda de yunque de diamante, un dispositivo de investigación utilizado para examinar cantidades minúsculas de materiales bajo una presión extraordinariamente alta.

El hidruro de azufre carbonoso exhibió una superconductividad a aproximadamente 58 grados Fahrenheit y una presión de aproximadamente 39 millones de psi. Esta es la primera vez que se observa material superconductor a temperatura ambiente.

“Debido a los límites de las bajas temperaturas, los materiales con propiedades tan extraordinarias no han transformado el mundo de la manera que muchos podrían haber imaginado. Sin embargo, nuestro descubrimiento romperá estas barreras y abrirá la puerta a muchas aplicaciones potenciales ”, dice Dias, quien también está afiliado a los programas de Ciencia de Materiales y Física de Alta Densidad Energética de la Universidad.

Las aplicaciones incluyen:

  • Redes eléctricas que transmiten electricidad sin la pérdida de hasta 200 millones de megavatios hora (MWh) de la energía que ahora se produce por resistencia en los cables.
  • Una nueva forma de propulsar trenes levitados y otras formas de transporte.
  • Técnicas de escaneo e imágenes médicas como resonancia magnética y magnetocardiografía
  • Electrónica más rápida y eficiente para lógica digital y tecnología de dispositivos de memoria.

“Vivimos en una sociedad de semiconductores, y con este tipo de tecnología, puedes llevar a la sociedad a una sociedad superconductora donde nunca más necesitarás cosas como baterías”, dice Ashkan Salamat de la Universidad de Nevada Las Vegas, coautor de la descubrimiento.

La cantidad de material superconductor creado por las células del yunque de diamante se mide en picolitros, aproximadamente el tamaño de una sola partícula de inyección de tinta.

El próximo desafío, dice Dias, es encontrar formas de crear materiales superconductores a temperatura ambiente a presiones más bajas, por lo que será económico producirlos en mayor volumen. En comparación con los millones de libras de presión creadas en las celdas del yunque de diamante, la presión atmosférica de la Tierra al nivel del mar es de aproximadamente 15 PSI.

Por qué es importante la temperatura ambiente

Descubierta por primera vez en 1911, la superconductividad otorga a los materiales dos propiedades clave. La resistencia eléctrica desaparece. Y cualquier apariencia de un campo magnético es expulsada, debido a un fenómeno llamado efecto Meissner. Las líneas del campo magnético tienen que pasar alrededor del material superconductor, lo que hace posible la levitación de dichos materiales, algo que podría usarse para trenes de alta velocidad sin fricción, conocidos como trenes maglev.

Los poderosos electroimanes superconductores ya son componentes críticos de trenes maglav, máquinas de resonancia magnética (MRI) y resonancia magnética nuclear (NMR), aceleradores de partículas y otras tecnologías avanzadas, incluidas las primeras supercomputadoras cuánticas.

Pero los materiales superconductores utilizados en los dispositivos generalmente funcionan solo a temperaturas extremadamente bajas, más bajas que cualquier temperatura natural en la Tierra. Esta restricción los hace costosos de mantener y demasiado costosos para extenderlos a otras aplicaciones potenciales. “El costo de mantener estos materiales a temperaturas criogénicas es tan alto que realmente no se pueden aprovechar al máximo”, dice Dias.

Anteriormente, la temperatura más alta para un material superconductor se alcanzó el año pasado en el laboratorio de Mikhail Eremets en el Instituto Max Planck de Química en Mainz, Alemania, y el grupo Russell Hemley en la Universidad de Illinois en Chicago. Ese equipo informó una superconductividad de -10 a 8 grados Fahrenheit usando superhidruro de lantano.

Los investigadores también han explorado los óxidos de cobre y los productos químicos a base de hierro como candidatos potenciales para superconductores de alta temperatura en los últimos años. Sin embargo, el hidrógeno, el elemento más abundante del universo, también ofrece un componente prometedor.

“Para tener un superconductor de alta temperatura, se necesitan enlaces más fuertes y elementos ligeros. Esos son los dos criterios muy básicos ”, dice Dias. “El hidrógeno es el material más ligero y el enlace de hidrógeno es uno de los más fuertes.

“Se teoriza que el hidrógeno metálico sólido tiene una alta temperatura de Debye y un fuerte acoplamiento electrón-fonón que es necesario para la superconductividad a temperatura ambiente”, dice Dias.

Sin embargo, se necesitan presiones extraordinariamente altas solo para obtener hidrógeno puro en un estado metálico, lo que fue logrado por primera vez en un laboratorio en 2017 por el profesor de la Universidad de Harvard Isaac Silvera y Dias, luego un postdoctorado en el laboratorio de Silvera.

Un cambio de paradigma

Y así, el laboratorio de Dias en Rochester ha perseguido un “cambio de paradigma” en su enfoque, utilizando como alternativa materiales ricos en hidrógeno que imitan la elusiva fase superconductora del hidrógeno puro y pueden metalizarse a presiones mucho más bajas.

Primero, el laboratorio combinó itrio e hidrógeno. El superhidruro de itrio resultante exhibió superconductividad a lo que entonces era una temperatura récord de aproximadamente 12 grados Fahrenheit y una presión de aproximadamente 26 millones de libras por pulgada cuadrada.

A continuación, el laboratorio exploró materiales covalentes de origen orgánico ricos en hidrógeno.

Este trabajo dio como resultado el hidruro de azufre carbonoso. “Esta presencia de carbono es de suma importancia aquí”, informan los investigadores. Un mayor “ajuste compositivo” de esta combinación de elementos puede ser la clave para lograr la superconductividad a temperaturas aún más altas, añaden.

Referencia: “Superconductividad a temperatura ambiente en un hidruro de azufre carbonoso” por Elliot Snider, Nathan Dasenbrock-Gammon, Raymond McBride, Mathew Debessai, Hiranya Vindana, Kevin Vencatasamy, Keith V. Lawler, Ashkan Salamat y Ranga P. Dias, 14 de octubre de 2020 , Naturaleza .
DOI: 10.1038 / s41586-020-2801-z

Otros coautores del artículo incluyen al autor principal Elliot Snider ’19 (MS), Nathan Dasenbrock-Gammon ’18 (MA), Raymond McBride ’20 (MS), Kevin Vencatasamy ’21 e Hiranya Vindana (MS), todos los Dias. laboratorio; Mathew Debessai (Ph.D) de Intel Corporation y Keith Lawlor (Ph.D) de la Universidad de Nevada Las Vegas.

El proyecto fue apoyado con fondos de la National Science Foundation y el Programa de Alianza Académica de Administración de Existencias del Departamento de Energía de EE. UU. Y su Oficina de Ciencias, Fusion Energy Sciences. La preparación de las superficies de diamante se realizó en parte en el Centro Integrado de Nanosistemas de la Universidad de Rochester (URnano).

Dias y Salamat han iniciado una nueva empresa, Unearthly Materials para encontrar un camino hacia los superconductores de temperatura ambiente que se pueden producir de forma escalable a presión ambiente.

Las patentes están pendientes. Cualquier persona interesada en obtener una licencia de la tecnología puede comunicarse con Curtis Broadbent, gerente de licencias de URVentures.

Con información de: SciTechDaily

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