Nuevo material facilita la búsqueda de la superconductividad a temperatura ambiente.

12 de mayo de 2023

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por el Instituto de Ciencia y Tecnología Skolkovo.

Científicos de la Universidad de Jilin, el Centro de Investigación Avanzada en Ciencia y Tecnología a Altas Presiones y Skoltech han sintetizado polihidruro de cerio-lantano, un material que promete facilitar estudios de superconductividad cercanos a la temperatura ambiente. Ofrece un compromiso entre los polihidruros de lantano y cerio en cuanto a la cantidad de enfriamiento y presión que se requiere. Esto permite experimentos más fáciles, lo que algún día podría llevar a los científicos a compuestos que conduzcan electricidad sin resistencia a las condiciones ambientales, un sueño de la ingeniería que lleva muchos años en desarrollo. El estudio fue publicado en Nature Communications. 

Una de las preguntas más intrigantes sin resolver en la física moderna es: ¿Podemos hacer un material que conduzca electricidad sin resistencia (superconducción) a temperatura ambiente y presión atmosférica? Un superconductor así permitiría redes eléctricas con una eficiencia sin precedentes, microchips ultra rápidos y electromagnetos tan poderosos que podrían levitar trenes o controlar reactores de fusión.

En su búsqueda, los científicos están investigando múltiples clases de materiales, aumentando lentamente la temperatura a la que superconducen y disminuyendo la presión que requieren para permanecer estables. Un grupo de materiales son los polihidruros, compuestos con un contenido de hidrógeno extremadamente alto. A -23°C, el actual campeón de superconductividad de alta temperatura es un polihidruro de lantano con la fórmula LaH10. El inconveniente: requiere la presión de 1,5 millones de atmósferas. En el extremo opuesto del espectro, los cupratos son una clase de materiales que superconducen a presión atmosférica normal pero requieren temperaturas más frescas, no más de -140°C.

Ahora, los investigadores de Skoltech y sus colegas chinos han logrado reducir los requisitos de presión de los superconductores de polihidruro. Para ello, el equipo ajustó el sistema cerio-hidrógeno-lantano agregando algo de cerio a la mezcla. Físicamente, eso significaba hacer una aleación de lantano-cerio y calentarla en una celda de alta presión con borano de amonio, una sustancia que libera mucho hidrógeno a medida que se descompone.

Lantano y cerio son dos átomos muy similares que forman compuestos análogos y a menudo pueden sustituirse uno por otro. Sin embargo, aunque se ha informado sobre la superconductividad para los polihidruros LaH10 y CeH10, así como CeH9, rara vez se ve la fase LaH9 correspondiente por experimentadores. Los científicos decidieron probar la hipótesis: debería ser posible estabilizar LaH9 al complementarlo con un aditivo adecuadamente elegido, como cerio, siempre que esto altere la estructura del material original. Y funcionó.

"Una presión muy alta obliga al lantano y al hidrógeno puros a entrar en la estructura LaH10. Pero si reemplaza aproximadamente 1 de cada 4 átomos de lantano con cerio, esto reorganiza la estructura en la disposición vista en 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 necesita LaH10, nuestro polihidruro de cerio-lantano es estable en solo 1 millón de atmósferas. Esta es aproximadamente la misma presión que necesitan los polihidruros de cerio, pero aquellos muestran superconductividad solo por debajo de -158°C, mientras que el nuevo superconductor funciona a -97°C. Así que es un buen compromiso, pero lo más importante es una garantía de que nuestro razonamiento es correcto", comenta el coautor del estudio, el profesor Artem R. Oganov de Skoltech.

Trabajando en un campo donde no hace mucho tiempo, muchos dudaban que la llamada superconductividad convencional, como la de los polihidruros, pudiera existir a temperaturas superiores a -230°C o algo así, Oganov asigna una importancia particular a probar y refinar las reglas que hacen posible descubrir y mejorar superconductores de manera confiable y sistemática. Entonces, aunque piensa que los polihidruros en general difícilmente se harán superconducir a presión atmosférica (lo que es una condición necesaria para aplicaciones a gran escala, como trenes maglev o redes de energía sin pérdidas), dice que su estudio brinda información sobre la superconductividad que nos acerca a alcanzar ese objetivo último con otros materiales.

'Polyhydrides are an Eldorado for fundamental superconductor research under pressure,' Oganov says. 'And by synthesizing our new compound, we have both tested and refined the tools and tricks useful in this quest and supplied a convenient material for further studies.'

'The work is also interesting for two key experiments: It shows the possible anisotropy of the upper critical field for hydrides. That is, the dependence of critical temperature on the direction of the magnetic field. And it also shows that with a decrease in pressure, a pseudogap phase manifests in polyhydrides,' study co-author and Skoltech Ph.D. alumnus Dmitrii Semenok said, adding that both properties are characteristic of cuprate superconductors. 'Thus, on closer inspection, polyhydrides turn out to be much like cuprates despite the different mechanisms of superconductivity.'

Asked about other promising compounds that current polyhydride research is leading to, the researchers responded that hydrides and borohydrides of calcium, yttrium, lanthanum, and magnesium seem to deserve research attention at this point.

Journal information: Nature Communications

Provided by Skolkovo Institute of Science and Technology