Las fluctuaciones cuánticas sostienen al superconductor récord
- Cálculos recientes han demostrado que el material con el récord de superconductividad se estabiliza mediante fluctuaciones cuánticas.
- El trabajo ha sido publicado hoy por la prestigiosa revista Nature y ha sido dirigido por Ion Errea, profesor de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) e investigador del Centro de Física de Materiales (CFM) de San Sebastián y del Donostia International Physics Center (DIPC), junto con José A. Flores-Livas de la Universidad de Roma La Sapienza (Italia).
DOI: 10.1038/s41586-020-1955-z
Estructura cristalina de la fase Fm-3m de LaH10, donde una jaula de hidrógeno altamente simétrica encierra los átomos de lantano. En la parte superior se muestra un bosquejo del complejo paisaje energético clásico, donde están presentes muchos mínimos. Por otro lado, en la parte inferior vemos un bosquejo del paisaje de energía cuántica completamente reformado y mucho más simple, donde sólo sobrevive un mínimo.
El trabajo, publicado hoy por la prestigiosa revista Nature, ha sido dirigido por Ion Errea, profesor de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) e investigador del Centro de Física de Materiales (CFM) de San Sebastián y del Donostia International Physics Center (DIPC), junto con José A. Flores-Livas de la Universidad de Roma La Sapienza (Italia). El trabajo es fruto de una amplia colaboración internacional de investigadores de España, Italia, Alemania, Francia y Japón. Este nuevo resultado sugiere que compuestos ricos en hidrógeno pueden ser superconductores a prácticamente temperatura ambiente a presiones mucho más bajas que las predichas anteriormente, acercando la posibilidad de obtener materiales superconductores en condiciones normales.
Llegar a conseguir superconductividad a temperatura ambiente es uno de los mayores sueños de la física. Este descubrimiento podría dar lugar a una revolución tecnológica al proporcionar transporte eléctrico sin pérdidas de energía, motores o generadores eléctricos ultraeficientes, así como la posibilidad de crear enormes campos magnéticos sin necesidad de enfriamiento. Los recientes descubrimientos de superconductividad, primero, a –73ºC en sulfuro de hidrógeno y, después, a -23ºC en LaH10 han demostrado que los compuestos de hidrógeno pueden ser superconductores de alta temperatura. El problema es que ambos descubrimientos han sido realizados a altas presiones: la superconductividad solo se ha conseguido por encima de los 100 gigapascales, un millón de veces la presión atmosférica.
La temperatura de–23 °C obtenida en el LaH10 —la temperatura habitual a la que trabajan los congeladores domésticos—, es la temperatura más alta en la cual se ha observado la superconductividad. La posibilidad de observar la superconductividad de alta temperatura en LaH10, un superhídruro formado por lantano e hidrógeno, fue predicha teóricamente en 2017.
Ion Errea, Raffaello Bianco , y Francesco Belli en el CFM.
Estos cálculos sugirieron que por encima de 230 gigapascales podría formarse un compuesto LaH10 altamente simétrico (grupo espacial Fm-3m), en el que una jaula de hidrógeno envuelve los átomos de lantano (ver figura). Se calculó que esta estructura podría distorsionarse a presiones más bajas, y romper la estructura altamente simétrica. Sin embargo, en experimentos llevados a cabo en 2019, se pudo sintetizar el compuesto altamente simétrico a presiones mucho menores, entre 130 y 220 gigapascales, y se pudo medir la superconductividad en torno a -23ºC en todo este rango de presión. Dada la contradicción entre las presiones predichas teóricamente y los resultados experimentales, la estructura cristalina del superconductor récord y, por consiguiente, su superconductividad estaban sin esclarecer.
Ahora, gracias a los resultados de este trabajo publicado por la revista Nature, sabemos que las fluctuaciones cuánticas atómicas “pegan” la estructura simétrica de LaH10 en todo el rango de presión en el que se ha observado la superconductividad. En mayor detalle, los cálculos efectuados muestran que si los átomos son tratados como partículas clásicas, es decir, como simples puntos en el espacio, muchas distorsiones de la estructura tienden a bajar la energía del sistema. Esto significa que el paisaje de energía clásico es muy complejo, con muchos mínimos (ver figura), similar a un colchón muy deformado debido a la cantidad de gente que soporta. Sin embargo, cuando los átomos son tratados como objetos cuánticos, que se describen con una función de onda deslocalizada, el paisaje de energía se remodela completamente: resulta evidente un único mínimo (ver figura), que corresponde a la estructura altamente simétrica Fm-3m. De alguna manera, los efectos cuánticos eliminan a toda la gente del colchón excepto a una persona, que lo deforma en un único punto.
Además, las estimaciones de la temperatura crítica utilizando el paisaje de energía cuántica concuerdan satisfactoriamente con la evidencia experimental. Esto apoya aún más la estructura de alta simetría Fm-3m como responsable de la superconductividad récord.
Ion errea, apuesta europea con garantía
Ion Errea (1984, San Sebastián) es profesor en la Escuela de Ingeniería de Gipuzkoa de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) y responsable del grupo de investigación Quantum Theory of Materials del Centro de Física de Materiales (CFM, CSIC-UPV/EHU). El joven investigador donostiarra lidera el ambicioso proyecto de investigación SuperH financiado con 1,5 millones de euros por el Consejo de Investigación Europeo (European Reseach Council, ERC). El objetivo del proyecto es caracterizar y descubrir nuevos materiales basados en hidrógeno que sean superconductores de alta temperatura. Errea, ha liderado este trabajo junto a José A. Flores-Livas (Universidad de Roma La Sapienza, Italia) en colaboración con investigadores del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras (Halle, Alemania), de la Universidad de Tohoku (Sendai, Japón), del Instituto Nacional para la Ciencia de los Materiales (Tsukuba, Japón), de la Universidad de la Sorbona (París, Francia) y de la Universidad de Tokio (Tokio, Japón).
Referencia
“Quantum crystal structure in the 250-kelvin superconducting lanthanum hydride”
Ion Errea, Francesco Belli, Lorenzo Monacelli, Antonio Sanna, Takashi Koretsune, Terumasa Tadano, Raffaello Bianco, Matteo Calandra, Ryotaro Arita, Francesco Mauri, and José A. Flores-Livas.
DOI: 10.1038/s41586-020-1955-z