El hidrógeno (como muchos de nosotros) actúa de forma extraña bajo presión. La teoría predice que cuando es aplastado por el peso de más de un millón de veces nuestra atmósfera, este elemento ligero, abundante y normalmente gaseoso se convierte primero en un metal y, lo que es aún más extraño, en un superconductor, un material que conduce la electricidad sin resistencia.

Los científicos han estado ansiosos por comprender y eventualmente aprovechar compuestos superconductores ricos en hidrógeno, llamados hidruros, para aplicaciones prácticas, desde la levitación de trenes hasta detectores de partículas. Pero estudiar el comportamiento de estos y otros materiales bajo presiones enormes y sostenidas no es nada práctico, y medir con precisión esos comportamientos oscila entre una pesadilla y lo imposible.

Como lo hizo la calculadora con la aritmética y ChatGPT con la redacción de ensayos de cinco párrafos, los investigadores de Harvard creen que tienen una herramienta fundamental para el espinoso problema de cómo medir y obtener imágenes del comportamiento de los superconductores de hidruro a alta presión.

Publicar en Naturaleza , informan que integran creativamente sensores cuánticos en un dispositivo estándar de inducción de presión, lo que permite lecturas directas de las propiedades eléctricas y magnéticas del material presurizado.

La innovación surgió de una colaboración de larga data entre el profesor de Física Norman Yao Ph.D. y el profesor de la Universidad de Boston y ex becario postdoctoral de Harvard Christopher Laumann, quienes juntos rompieron sus antecedentes teóricos con las consideraciones prácticas de la medición de alta presión hace varios años.

La forma estándar de estudiar hidruros bajo presiones extremas es con un instrumento llamado celda de yunque de diamante, que comprime una pequeña cantidad de material entre dos interfaces de diamante de talla brillante.

Para detectar cuándo una muestra ha sido aplastada lo suficiente como para volverse superconductora, los físicos suelen buscar una firma dual:una caída de la resistencia eléctrica a cero, así como la repulsión de cualquier campo magnético cercano, también conocido como efecto Meissner. (Esta es la razón por la que un superconductor cerámico, cuando se enfría con nitrógeno líquido, flotará sobre un imán).

El problema radica en captar esos detalles. Para aplicar la presión requerida, la muestra debe mantenerse en su lugar mediante una junta que distribuya uniformemente el aplastamiento y luego encerrarse en una cámara. Esto hace que sea difícil "ver" lo que sucede en el interior, por lo que los físicos han tenido que utilizar soluciones que involucran múltiples muestras para medir por separado diferentes efectos.

"El campo de los hidruros superconductores ha sido un poco controvertido, en parte porque las técnicas de medición a altas presiones son muy limitadas", dijo Yao.

"El problema es que no se puede simplemente colocar un sensor o una sonda dentro, porque todo está cerrado y a presiones muy altas. Eso hace que el acceso a información local desde el interior de la cámara sea extremadamente difícil. Como resultado, nadie ha observado realmente las firmas duales de la superconductividad en una sola muestra."

Para resolver el problema, los investigadores diseñaron y probaron una inteligente adaptación:integraron una fina capa de sensores, hechos a partir de defectos naturales en la red cristalina atómica del diamante, directamente sobre la superficie del yunque del diamante. Utilizaron estos eficaces sensores cuánticos, llamados centros de vacantes de nitrógeno, para obtener imágenes de regiones dentro de la cámara mientras la muestra está presurizada y cruza hacia territorio superconductor.

Para probar su concepto, trabajaron con hidruro de cerio, un material que se sabe que se convierte en superconductor a aproximadamente un millón de atmósferas de presión, o lo que los físicos llaman el régimen de megabares.

La nueva herramienta podría ayudar en este campo no sólo al permitir el descubrimiento de nuevos hidruros superconductores, sino también al permitir un acceso más fácil a esas características codiciadas en los materiales existentes, para su estudio continuo.

"Puedes imaginar que, como ahora estás fabricando algo en una celda de yunque de diamante [vacantes de nitrógeno], e inmediatamente puedes ver que 'esta área ahora es superconductora, esta área no', podrías optimizar tu síntesis y llegar a una manera de hacer muestras mucho mejores", afirmó Laumann.

Más información: Norman Yao, Imágenes del efecto Meissner en superconductores de hidruro utilizando sensores cuánticos, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07026-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07026-7

Información de la revista: Naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Harvard