El objetivo de una nueva investigación dirigida por Ranga Dias, profesor asistente de ingeniería mecánica y de física y astronomía, consiste en desarrollar materiales superconductores a temperatura ambiente. En la actualidad, se requiere un frío extremo para lograr la superconductividad, como se demuestra en esta foto del laboratorio de Dias, en el que un imán flota sobre un superconductor enfriado con nitrógeno líquido. Crédito:Universidad de Rochester / J. Adam Fenster
Comprimir sólidos moleculares simples con hidrógeno a presiones extremadamente altas, Los ingenieros y físicos de la Universidad de Rochester tienen, por primera vez, material creado que es superconductor a temperatura ambiente.
Destacado como artículo de portada en la revista Naturaleza , el trabajo fue realizado por el laboratorio de Ranga Dias, profesor asistente de física e ingeniería mecánica.
Dias dice que el desarrollo de materiales superconductores, sin resistencia eléctrica y sin expulsión de campo magnético a temperatura ambiente, es el "santo grial" de la física de la materia condensada. Buscado desde hace más de un siglo, tales materiales "definitivamente pueden cambiar el mundo tal como lo conocemos, "Dias dice.
Al establecer el nuevo récord, Dias y su equipo de investigación combinaron hidrógeno con carbono y azufre para sintetizar fotoquímicamente hidruro de azufre carbonoso derivado de compuestos orgánicos simples en una celda de yunque de diamante. un dispositivo de investigación utilizado para examinar cantidades minúsculas de materiales bajo una presión extraordinariamente alta.
El hidruro de azufre carbonoso exhibió una superconductividad a aproximadamente 58 grados Fahrenheit y una presión de aproximadamente 39 millones de psi. Esta es la primera vez que se observa material superconductor a temperatura ambiente.
"Debido a los límites de la baja temperatura, materiales con propiedades tan extraordinarias no han transformado el mundo de la manera que muchos podrían haber imaginado. Sin embargo, Nuestro descubrimiento romperá estas barreras y abrirá la puerta a muchas aplicaciones potenciales, "dice Dias, quien también está afiliado a los programas de Ciencia de Materiales y Física de Alta Densidad Energética de la Universidad.
Las aplicaciones incluyen:
"Vivimos en una sociedad de semiconductores, y con este tipo de tecnología, puedes llevar a la sociedad a una sociedad superconductora donde nunca más necesitarás cosas como baterías, "dice Ashkan Salamat de la Universidad de Nevada Las Vegas, coautor del descubrimiento.
La cantidad de material superconductor creado por las células del yunque de diamante se mide en picolitros, aproximadamente el tamaño de una sola partícula de inyección de tinta.
El próximo desafío, Dias dice, está encontrando formas de crear materiales superconductores a temperatura ambiente a presiones más bajas, por lo que será económico producirlos en mayor volumen. En comparación con los millones de libras de presión que se crean en las celdas de yunque de diamante, la presión atmosférica de la Tierra al nivel del mar es de aproximadamente 15 PSI.
Por qué es importante la temperatura ambiente
Descubierto por primera vez en 1911, la superconductividad da a los materiales dos propiedades clave. La resistencia eléctrica se desvanece. Y cualquier apariencia de un campo magnético es expulsada, debido a un fenómeno llamado efecto Meissner. Las líneas del campo magnético tienen que pasar alrededor del material superconductor, haciendo posible la levitación de dichos materiales, algo que podría usarse para trenes de alta velocidad sin fricción, conocidos como trenes maglev.
Los potentes electroimanes superconductores ya son componentes críticos de los trenes maglav, Máquinas de resonancia magnética (MRI) y resonancia magnética nuclear (NMR), aceleradores de partículas y otras tecnologías avanzadas, incluidas las primeras supercomputadoras cuánticas.
Pero los materiales superconductores utilizados en los dispositivos generalmente funcionan solo a temperaturas extremadamente bajas, más bajas que cualquier temperatura natural en la Tierra. Esta restricción los hace costosos de mantener y demasiado costosos para extenderlos a otras aplicaciones potenciales. "El costo de mantener estos materiales a temperaturas criogénicas es tan alto que realmente no se pueden aprovechar al máximo, "Dias dice.
Previamente, la temperatura más alta para un material superconductor se alcanzó el año pasado en el laboratorio de Mikhail Eremets en el Instituto Max Planck de Química en Mainz, Alemania, y el grupo Russell Hemley de la Universidad de Illinois en Chicago. Ese equipo informó una superconductividad de -10 a 8 grados Fahrenheit usando superhidruro de lantano.
Los investigadores también han explorado los óxidos de cobre y los productos químicos a base de hierro como candidatos potenciales para superconductores de alta temperatura en los últimos años. Sin embargo, El hidrógeno, el elemento más abundante del universo, también ofrece un componente prometedor.
"Tener un superconductor de alta temperatura, quieres lazos más fuertes y elementos ligeros. Esos son los dos criterios muy básicos, "Dias dice." El hidrógeno es el material más ligero, y el enlace de hidrógeno es uno de los más fuertes.
"Se teoriza que el hidrógeno metálico sólido tiene una alta temperatura de Debye y un fuerte acoplamiento electrón-fonón que es necesario para la superconductividad a temperatura ambiente, "Dias dice.
Sin embargo, se necesitan presiones extraordinariamente altas solo para que el hidrógeno puro entre en un estado metálico, que fue logrado por primera vez en un laboratorio en 2017 por el profesor de la Universidad de Harvard Isaac Silvera y Dias, luego un postdoctorado en el laboratorio de Silvera.
Un cambio de paradigma'
Y entonces, El laboratorio de Dias en Rochester ha perseguido un "cambio de paradigma" en su enfoque, usando como alternativa, materiales ricos en hidrógeno que imitan la elusiva fase superconductora del hidrógeno puro, y puede metalizarse a presiones mucho más bajas.
Primero, el laboratorio combinó itrio e hidrógeno. El superhidruro de itrio resultante exhibió superconductividad a lo que entonces era una temperatura récord de aproximadamente 12 grados Fahrenheit y una presión de aproximadamente 26 millones de libras por pulgada cuadrada.
A continuación, el laboratorio exploró materiales covalentes de origen orgánico ricos en hidrógeno.
Este trabajo dio como resultado el hidruro de azufre carbonoso. "Esta presencia de carbono es de suma importancia aquí, "Los investigadores informan. Un mayor" ajuste compositivo "de esta combinación de elementos puede ser la clave para lograr la superconductividad a temperaturas aún más altas, agregan.
