Científicos de la Universidad de Jilin, el Centro de Investigación Avanzada en Ciencia y Tecnología de Alta Presión y Skoltech han sintetizado el polihidruro de lantano y cerio, un material que promete facilitar los estudios de la superconductividad a temperatura cercana a la ambiente.
Ofrece un compromiso entre los polihídridos de lantano y cerio en cuanto a la cantidad de refrigeración y presión que requiere. Esto facilita los experimentos, que algún día podrían llevar a los científicos a compuestos que conduzcan la electricidad con resistencia cero en condiciones ambientales, un sueño de ingeniería que lleva años gestándose. El estudio se publicó en Nature Communications.
Una de las cuestiones sin resolver más intrigantes de la física moderna es: ¿Podemos fabricar un material que conduzca la electricidad con resistencia cero (superconductor) a temperatura ambiente y presión atmosférica? Un superconductor así permitiría crear redes eléctricas de una eficiencia sin precedentes, microchips ultrarrápidos y electroimanes tan potentes que podrían hacer levitar trenes o controlar reactores de fusión.
En su búsqueda, los científicos están estudiando varias clases de materiales, aumentando lentamente la temperatura a la que superconducen y reduciendo la presión que necesitan para mantenerse estables. Uno de estos materiales son los polihídridos, compuestos con un altísimo contenido en hidrógeno. A -23 °C, el actual campeón de la superconductividad a alta temperatura es un polihidruro de lantano de fórmula LaH10. El inconveniente: requiere una presión de 1,5 millones de atmósferas. En el extremo opuesto, los cupratos son una clase de materiales que superconducen a presión atmosférica normal pero requieren temperaturas más bajas, no superiores a -140°.
Ahora, los investigadores de Skoltech y sus colegas chinos han conseguido suavizar los requisitos de presión de los superconductores de polihidruro. Para ello, el equipo modificó el sistema de lantano e hidrógeno añadiendo cerio a la mezcla. Físicamente, eso significaba fabricar una aleación de lantano y cerio y calentarla en una célula de alta presión con borano amoniacal, una sustancia que libera mucho hidrógeno al descomponerse.
El lantano y el cerio son dos átomos muy similares que forman compuestos análogos y que a menudo pueden sustituirse entre sí. Sin embargo, aunque se ha descrito superconductividad en los polihídridos LaH10 y CeH10, así como en el CeH9, los experimentadores rara vez observan la fase LaH9 correspondiente. Los científicos decidieron poner a prueba la hipótesis: Debería ser posible estabilizar LaH9 complementándolo con un aditivo elegido adecuadamente, como el cerio, siempre que esto alterara la estructura del material original. Y funcionó.
“Una presión muy alta fuerza al lantano puro y al hidrógeno a formar la estructura LaH10. Pero si se sustituye aproximadamente 1 de cada 4 átomos de lantano por cerio, se reorganiza la estructura en la disposición observada en el CeH9. En ese sentido, la introducción del tercer elemento altera la estructura que el material puro habría asumido de otro modo. Y este aditivo contribuye a la estabilidad: En comparación con los 1,5 millones de atmósferas que se necesitan para LaH10, nuestro polihidruro de lantano y cerio es estable a sólo 1 millón de atmósferas. Se trata de la misma presión que requieren los polihidruros de cerio, pero éstos sólo presentan superconductividad por debajo de -158 °C, mientras que el nuevo superconductor funciona a -97 °C. Por tanto, se trata de un buen compromiso. Así que es un buen compromiso, pero lo más importante es que nos reafirma en que nuestro razonamiento es correcto”, comenta el coautor del estudio, el profesor Artem R. Oganov, de Skoltech.
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Oganov, que trabaja en un campo en el que no hace mucho muchos dudaban de que la llamada superconductividad convencional -como la de los polihidruros- pudiera existir a temperaturas superiores a -230 °C aproximadamente, concede especial importancia a probar y perfeccionar las reglas que permiten descubrir y mejorar los superconductores de forma fiable y sistemática. Por eso, aunque cree que difícilmente se conseguirá que los polihídridos en general sean superconductores a presión atmosférica (condición necesaria para aplicaciones a gran escala como los trenes maglev o las redes eléctricas sin pérdidas), afirma que su estudio aporta conocimientos sobre la superconductividad que nos acercan a la consecución de ese objetivo último con otros materiales.
“Los polihídridos son un Eldorado para la investigación fundamental de superconductores bajo presión”, afirma Oganov. “Y al sintetizar nuestro nuevo compuesto, hemos probado y perfeccionado las herramientas y trucos útiles en esta búsqueda y suministrado un material conveniente para estudios posteriores”.
“El trabajo también es interesante por dos experimentos clave: Muestra la posible anisotropía del campo crítico superior para los hidruros. Es decir, la dependencia de la temperatura crítica de la dirección del campo magnético. Y también demuestra que, con una disminución de la presión, se manifiesta una fase de pseudogap en los polihídridos”, afirmó Dmitrii Semenok, coautor del estudio y doctorando del Skoltech, añadiendo que ambas propiedades son características de los superconductores de cupratos. “Así pues, si se examinan más de cerca, los polihidruros resultan ser muy parecidos a los cupratos a pesar de los diferentes mecanismos de superconductividad”.
Preguntados por otros compuestos prometedores a los que está conduciendo la investigación actual sobre polihidruros, los investigadores respondieron que los hidruros y borohidruros de calcio, itrio, lantano y magnesio parecen merecer la atención de los investigadores en este momento.
Noticia tomada de: Phys / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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