El material anuncia un nuevo ‘amanecer’ de superconductividad

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

Según un equipo dirigido por Ranga Dias, profesor asistente de ingeniería mecánica y física en la Universidad de Rochester, «con este material, comenzó el amanecer de la superconductividad y las tecnologías aplicadas».

en papel en naturalezalos investigadores describen hidruro de lutecio rico en nitrógeno (NDLH) que exhibe superconductividad a 69 grados Fahrenheit y 10 kilobares (145 000 psi o psi) de presión.

Aunque 145 000 psi puede sonar inusualmente alto (la presión al nivel del mar es de aproximadamente 15 psi), las técnicas de ingeniería de tensión que se usan de manera rutinaria en la fabricación de chips, por ejemplo, involucran materiales que se mantienen unidos por presiones químicas internas que son aún mayores.

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 principales: la resistencia eléctrica desaparece y los campos magnéticos que se repelen pasan alrededor del material superconductor. Estos materiales pueden permitir:

• Redes eléctricas que transmiten electricidad sin perder hasta 200 millones de megavatios hora (MWh) de energía que ahora es causada por la resistencia en los cables
• Trenes de alta velocidad sin fricción
• Tecnologías asequibles de escaneo e imágenes médicas, como MRI y ECG
• Electrónica más rápida y eficiente para lógica digital y tecnología de dispositivos de memoria
• Máquinas Tokamak que usan campos magnéticos para atrapar plasma y lograr la fusión como fuente de energía ilimitada.

Anteriormente, los investigadores informaron sobre la formación de dos materiales, hidruro de azufre carbónico 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 trabajos de investigación en naturaleza Y Cartas de revisión física.

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 descubrimiento anterior. naturaleza artículo, lo que llevó a los editores de la revista a retractarse. El documento anterior ha sido reenviado a naturaleza Con nuevos datos que validan trabajos anteriores, según 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 transmisión superconductora. Se adoptó un enfoque similar con el nuevo documento.

Cinco estudiantes graduados en el laboratorio de Dias, Nathan Dasenbrock-Gammon, Elliott Snyder, Raymond McBride, Hirania Basan y Dylan Durkee, figuran como coautores.

«Todos en el grupo participaron en la realización de los experimentos», dice Dias. «Fue realmente un esfuerzo de equipo».

Crear una sustancia roja

Los hidridios 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 «receta de trabajo» tentadora para producir materiales superconductores en los últimos años. Técnicamente, los hidratos de metales de tierras raras forman estructuras en forma de jaula, en las que los iones de metales de tierras raras actúan como donantes portadores, proporcionando suficientes electrones que promoverían la disociación de las moléculas de H. 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 utilizaron 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. Contiene 14 electrones completamente llenos altamente localizados en su configuración orbital f que evita el ablandamiento de fonones y proporciona una mejora del acoplamiento electrón-fonón necesario para que se produzca la superconductividad a temperatura ambiente. La pregunta principal era, ¿cómo vamos a instalar esto para bajar la presión necesaria? Y aquí es donde el nitrógeno entró en escena”.

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

El equipo de Dias creó una mezcla gaseosa de 99 % de hidrógeno y 1 % 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 documento. Cuando el compuesto se presionó en una celda de yunque de diamante, se produjo una «transición visual asombrosa»: 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 caso, ‘reddmatter’, después de una sustancia que Spock creó en el famoso 2009 Star Trek Película”, comentó Codename.

La presión de 145.000 psi requerida para inducir la superconductividad es casi dos órdenes de magnitud menor que la baja presión anterior creada en el laboratorio de Dias.

Llegando a la era de la superconductividad moderna

Con el apoyo financiero de un premio CAREER de Dias de la Fundación Nacional de Ciencias y una subvención del Departamento de Energía de EE. UU., su laboratorio ahora ha respondido a la pregunta de si los materiales superconductores pueden existir a temperaturas ambiente y presiones lo suficientemente bajas para aplicaciones prácticas.

“El camino hacia la electrónica de consumo superconductora, las líneas de transmisión de energía, el transporte y las mejoras significativas en el confinamiento magnético para la fusión ahora es muy real”, dice Dias. «Creemos que ahora estamos en la era de la superconductividad 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 la fusión. En lugar de utilizar potentes láseres convergentes para hacer estallar las pastillas de combustible, el tokamak se basa en potentes campos magnéticos emitidos desde una envoltura en forma de rosquilla para atrapar, retener y encender el plasma sobrecalentado. NDLH, que produce un «enorme campo magnético» a temperatura ambiente, dice Dias, «cambiará las reglas del juego» para la tecnología emergente.

Particularmente emocionante, según Dias, es la posibilidad de entrenar algoritmos de aprendizaje automático con datos acumulados de experimentos superconductores en su laboratorio para predecir otros posibles materiales superconductores; en efecto, mezclando y combinando miles de combinaciones potenciales 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. «Así como usamos diferentes metales para diferentes aplicaciones, necesitamos más superconductores circundantes para diferentes aplicaciones».

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

fuente: Universidad de Rochester