Imágenes de resonancia magnética médica, generadores de microondas de alta potencia, unidades de almacenamiento de energía magnética superconductora, y los solenoides en los reactores de fusión nuclear son tecnologías muy diferentes que se basan fundamentalmente en la capacidad de los materiales superconductores para transportar y almacenar grandes corrientes eléctricas en un espacio compacto sin sobrecalentar o disipar grandes cantidades de energía.

A pesar de sus extraordinarias propiedades, la mayoría de los materiales superconductores presentan su propio conjunto de demandas, como la necesidad de enfriarse a la temperatura del helio líquido para resonancias magnéticas médicas. Todavía, Los superconductores son tan eficientes en comparación con los materiales cotidianos como el cobre, que el costo de enfriarlos con circuitos criogénicos especiales es insignificante en comparación con la energía que se ahorra al convertirse, y finalmente desperdiciar, en forma de calor. dice Riccardo Comin, un profesor asistente de física.

"Cuando intentas hacer pasar una gran corriente a través de un circuito convencional como uno que está hecho de cobre, Habrá mucha disipación en calor debido a la resistencia eléctrica finita del material, ", dice." Y esa es la energía que simplemente se pierde. Debido a que los superconductores pueden soportar el flujo de electrones sin disipación, eso significa que puede ejecutar corrientes muy grandes, conocidas como supercorrientes, a través de un superconductor, sin que el superconductor se caliente a altas temperaturas ".

"Puede inyectar una corriente en un superconductor y luego dejar que fluya, "Comin dice". Entonces, un superconductor puede actuar básicamente como una batería, pero en lugar de almacenar energía como una diferencia de voltaje, que es lo que tienes en una batería de iones de litio, almacenas energía en forma de supercorriente. Entonces puedes extraer y usar esa corriente, y es lo mismo que sacar carga de una batería ".

Lo que distingue a un superconductor de un conductor convencional es que, en lo ultimo, tienes que aplicar un potencial entre dos puntos diferentes para pasar una corriente, pero en el primero, puede poner en movimiento la corriente y luego quitar el voltaje, dejar el sistema como está, y habrá una corriente persistente fluyendo a través del material.

Comin explica con más detalle:"Ha iniciado una moción, o fluir, de electrones, que perdurará por siempre, protegido de la disipación por las leyes de la mecánica cuántica. Es superfluido en el sentido de que el flujo de electrones no encuentra resistencia, o fricción. Incluso si elimina la fuente inicial que creó ese flujo, continuará sin cesar como en un fluido electrónico sin fricción ".

Esta super fluidez electrónica es un estado cuántico de la materia, por lo que se comporta de una manera muy exótica que es diferente a la física clásica, Comin dice. Ya se está utilizando en muchas aplicaciones de alta potencia que requieren grandes corrientes o grandes campos magnéticos.

Debido a que los superconductores pueden soportar corrientes muy grandes, pueden almacenar mucha energía en un volumen relativamente pequeño. Pero incluso los materiales superconductores no pueden soportar corrientes eléctricas ilimitadas, y pueden perder sus propiedades especiales por encima de una densidad de corriente crítica, que supera los 10 megaamperios por centímetro cuadrado para los cables superconductores de última generación. En comparación, el cobre puede transportar una densidad de corriente máxima de 500 amperios por centímetro cuadrado, que es la misma que la densidad de corriente que pasa a través de una bombilla de alambre de tungsteno de 100 vatios.

Si bien se conocen estas corrientes críticas donde se apaga la superconductividad, lo que sucede a nanoescala dentro del material cuando se acerca a esa condición crítica aún se desconoce, sin embargo, podría ser la clave para diseñar mejores cables y dispositivos superconductores, con una resiliencia aún mayor.

Comin fue uno de los tres investigadores del MIT que ganó una subvención del Programa de Investigación para Jóvenes Investigadores de la Fuerza Aérea de EE. UU. Este otoño. El de tres años, $ 450, 000 le permitirá a Comin seguir investigando lo que sucede con un material superconductor en particular, óxido de itrio, bario y cobre (YBCO) cuando es impulsado a grandes corrientes.

"Estudiar la respuesta eléctrica de un superconductor cuando se impulsa una gran corriente a través de él es esencial para caracterizar los circuitos superconductores, pero hay mucha información microscópica de lo que está sucediendo dentro del material que queda por revelar, ", dice." La física a nanoescala de superconductores en condiciones operativas, es decir, cuando pasan grandes corrientes a través de ellos, es exactamente lo que nos interesa dilucidar ".

"De alguna manera, esta es una nueva dirección en la que no solo estamos estudiando el material en su estado inalterado, digamos, solo en función de la temperatura, pero sin aplicar ningún tipo de perturbación como una corriente o un campo. Ahora nos movemos en una dirección en la que estudiamos lo que sucede en los materiales cuando son impulsados ​​en condiciones de grandes corrientes, que están muy cerca de los que se encontrarían dentro de un dispositivo o máquina basada en estos circuitos superconductores, "Comin explica.

A diferencia de las aleaciones de niobio y estaño que requieren enfriamiento con helio líquido (aproximadamente 4 kelvin) en las máquinas de resonancia magnética, Superconductores de YBCO a la temperatura algo más alta del nitrógeno líquido. Esto es significativo porque el nitrógeno líquido (alrededor de 77 kelvin, o -320,4 grados Fahrenheit) es más abundante y considerablemente más barato de usar que el helio, Comin dice.

Pero hay otro precio que pagar. En comparación con un metal o conductor convencional como el cobre, que es dúctil y de fácil forma, YBCO es una cerámica quebradiza que debe moldearse en capas bidimensionales sobre una base similar a las cintas de grabación de casete antiguas.

"Tiene una estructura en capas, por lo que forma láminas atómicas bidimensionales que están débilmente acopladas entre ellas, y es muy diferente de cómo se vería un metal convencional, "Dice Comin. Comin estudiará el material en su laboratorio en el MIT, así como en los Laboratorios Nacionales, mientras se le aplica alta corriente alrededor o incluso por debajo de las temperaturas del nitrógeno líquido.

Aunque la superconductividad asume el control a la temperatura del nitrógeno líquido, como el material está sujeto a campos eléctricos cada vez más grandes, otros estados electrónicos, o fases, como una onda de densidad de carga, comienzan a competir con la superconductividad antes de que cese.

"Cuando empiezas a debilitar la superconductividad, otras fases electrónicas comienzan a despertar y compiten por tomar el control del material, ", dice. Planea explorar cómo cambia el equilibrio entre la fase superconductora y estas otras fases parasitarias, a medida que la superconductividad se debilita a altas corrientes.

"¿Estas (otras fases) comienzan a tomar el control o permanecen inactivas?" Pregunta Comin. "En un caso, los electrones quieren fluir sin disiparse, y en el otro caso, están atascados en su lugar y no pueden moverse, como un coche en un atasco ".

En lugar de poder moverse libremente como lo hacen en un superconductor, sin disipación alguna, los electrones en una onda de densidad de carga tienden a asentarse en algunas regiones y permanecer allí.

"Hay algunas regiones que tienen más electrones, algunas otras regiones que tienen menos electrones, así que si intentas visualizar la organización espacial de estos electrones, ves que se mueve como una ola, "Comin explica." Puedes imaginar un paisaje de ondas de arena en una duna. ¿Qué impulsa a los electrones a organizarse en un estado superfluido en lugar de formar estos estáticos, Los patrones en forma de onda no se conocen realmente y es lo que esperamos descubrir en esas condiciones críticas en las que el superconductor comienza a ceder ante estas otras tendencias en competencia ".

El objetivo final de este esfuerzo de investigación es dilucidar cómo una corriente persistente, o supercorriente, fluye alrededor de regiones no superconductoras que albergan fases en competencia, cuando estos últimos comienzan a proliferar cerca de condiciones críticas.

"En este proyecto, apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, esperamos obtener nuevos conocimientos sobre la física a nanoescala de estos dispositivos superconductores, conocimientos que podrían transferirse a futuras tecnologías de superconductores, "Dice Comin.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.