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Artículo publicado el 18 de agosto de 2015 en el Instituto Max Planck

El sulfuro de hidrógeno pierde su resistencia eléctrica bajo una alta presión a menos 70 grados Celsius.

Hasta el momento, ningún material ha sido capaz de conducir la corriente eléctrica sin resistencia a una temperatura tan alta: investigadores del Instituto Max Planck para Química y la Universidad Johannes Gutenberg en Mainz observaron que el sulfuro de hidrógeno se convierte en superconductor a menos 70 grados Celsius, cuando se coloca la sustancia bajo una presión de 1,5 millones de bares. Esto corresponde a la mitad de la presión en el núcleo de la Tierra. Con sus experimentos a alta presión, los investigadores en Mainz no sólo han fijado un nuevo récord para la superconductividad, sino que sus hallazgos han demostrado una nueva forma potencial de transportar la corriente a temperatura ambiente sin pérdidas.

Presión para crear superconductores

Presión para crear superconductores Crédito: Thomas Hartmann

Para muchos físicos de estado sólido, los superconductores adecuados para su uso a temperatura ambiente aún son un sueño. Por el momento, los únicos materiales conocidos que conducen la corriente eléctrica sin resistencia, y por tanto sin pérdida, trabajan a temperaturas muy bajas. Por consiguiente, los cupratos toman la posición de cabeza en términos de temperatura de transición, aquella a la que el material pierde su resistencia. El récord para un cuprato de este tipo es de aproximadamente menos 140 grados a la presión de aire normal y menos 109 grados Celsius a alta presión. En los cupratos se da una forma especial y poco convencional de superconductividad. Para los superconductores convencionales, hasta el momento, han sido necesarias temperaturas de menos 234 grados Celsius.

Un equipo liderado por Mikhael Eremets, director de un grupo de trabajo en el Instituto Max Planck para Química, trabajando en colaboración con investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg en Mainz, han observado superconductividad convencional a menos 70 grados Celsius, en el sulfuro de hidrógeno (H2S). Para convertir la sustancia, que en un gas en condiciones normales, en un superconductor los científicos, no obstante, tuvieron que someterlo a una presión de 1,5 megabares (1,5 millones de bares), como se describe en la revista Nature.

La temperatura de transición de la superconductividad convencional no conoce límites

“Con nuestros experimentos hemos fijado un nuevo récord para la temperatura a la que un material se convierte en superconductor”, dice Mikhael Eremets. Su equipo también ha sido el primero en demostrar en un experimento que existen superconductores convencionales con una temperatura de transición alta. Los cálculos teóricos ya habían predicho este comportamiento para ciertas sustancias, incluyendo el H2S. “Hay mucho potencial en la búsqueda de otros materiales en los que la superconductividad convencional aparece a altas temperaturas”, apunta. “Teóricamente, no existen límites para la temperatura de transición en los superconductores convencionales, y nuestros experimentos dan la razón a la esperanza de que tal superconductividad pueda conseguirse incluso a temperatura ambiente”.

Los investigadores generaron la presión extremadamente alta requerida para convertir en superconductor al H2S a una temperatura negativa relativamente moderada, usando una cámara de presión especial menor de un centímetro cúbico de tamaño. Las dos puntas de diamante a los lados, que actúan como yunques, pueden incrementar constantemente la presión a la que se somete a la muestra. La célula está equipada con contactos para medir la resistencia eléctrica. En otra célula de alta presión, los investigadores lograron investigar las propiedades magnéticas de un material que también cambia en la temperatura de transición.

Después de que los investigadores llenasen las cámaras de presión con sulfuro de hidrógeno líquido, aumentaron la presión gradualmente sobre la muestra, llevándola aproximadamente a los 2 megabares y cambiando la temperatura para cada nivel de presión. Tomaron medidas tanto de resistencia como de magnetización para determinar la temperatura de transición del material. Las medidas de magnetización demostraron ser una información muy útil debido a que un superconductor posee propiedades magnéticas ideales.

Los átomos de hidrógeno facilitan la superconductividad a altas temperaturas

Los investigadores creen que los átomos de hidrógeno son los principales responsables de que el sulfuro de hidrógeno pierda su resistencia eléctrica a altas presiones y temperaturas relativamente altas: los átomos de hidrógeno oscilan en la red con la mayor frecuencia de todos los elementos, debido a que el hidrógeno es el más ligero. Dado que las oscilaciones de la red determinan la superconductividad convencional, y lo hacen de forma más efectiva cuanto más rápidamente oscilan los átomos, los materiales con un alto contenido en hidrógeno exhiben una temperatura de transición relativamente alta. Además, los enlaces fuertes entre los átomos aumentan la temperatura a la que el material se convierte en superconductor. Estas condiciones se dan en el H3S, y es precisamente este compuesto es que se forman cuando se somete al H2S a una alta presión.

Mikhael Eremets y su equipo están ahora buscando materiales con temperaturas de transición aún más altas. Aumentar la presión a la que se somete al sulfuro de hidrógeno por encima de 1,5 megabares no ayuda, en este caso. Esto no sólo se ha calculado teóricamente, sino que también se ha confirmado mediante experimentos realizados por el equipo en Mainz. A temperaturas más altas cambia la estructura del electrón de tal forma que la temperatura de transición empieza a bajar de nuevo lentamente.

Se busca: materiales ricos en hidrógeno con una temperatura de transición alta

“Un candidato obvio para una alta temperatura de transición es el hidrógeno puro”, apunta Mikhael Eremets. “Se espera que se convierta en superconductor a temperatura ambiente bajo una alta presión”. Su equipo ya ha empezado a experimentar con hidrógeno puro, pero los experimentos son muy complejos a las presiones requeridas de 3 ó 4 megabares.

“Nuestra investigación sobre el sulfuro de hidrógeno, sin embargo, ha demostrado que muchos materiales ricos en hidrógeno pueden tener una alta temperatura de transición”, comenta Eremets. Incluso puede ser posible llegar a un superconductor de alta temperatura que haga honor a su nombre en términos de una percepción común de la temperatura, sin alta presión. Los investigadores en Mainz actualmente necesitan la alta presión para convertir los materiales que actúan como aislantes eléctricos, como el sulfuro de hidrógeno, en metales. “Puede haber polímeros, u otros compuestos ricos en hidrógeno, que puedan convertirse en metales de algún otro modo, y convertirse en superconductores a temperatura ambiente”, señala el físico. Si pueden hallarse tales materiales, por fin los tendríamos: superconductores que pueden usarse para un amplio abanico de aplicaciones técnicas.

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