Los científicos han descubierto un nuevo superconductor a temperatura ambiente

Esta semana, los científicos anunciaron un emocionante avance hacia el sueño de un material que pueda conducir fácilmente la electricidad en las condiciones cotidianas. Un avance como este podría transformar casi cualquier tecnología que utilice energía eléctrica, abriendo nuevas posibilidades para su teléfono, trenes magnéticos y futuras estaciones de fusión de energía.

Normalmente, el flujo de electricidad encuentra resistencia a medida que se mueve a través de los cables, casi como una forma de fricción, y parte de la energía se pierde en forma de calor. Hace un siglo, los físicos descubrieron materiales, ahora llamados superconductores, en los que la resistencia eléctrica desaparecía aparentemente por arte de magia. Pero estos materiales solo perdían su resistencia a temperaturas muy frías, lo que limitaba las aplicaciones prácticas. Durante décadas, los científicos han buscado superconductores que funcionen a temperatura ambiente.

El anuncio de esta semana es el último intento en ese esfuerzo, pero proviene de un equipo que enfrenta un escepticismo generalizado debido a que un artículo de 2020 describía un material superconductor como prometedor pero menos práctico. a retirarse Después de que otros científicos cuestionaran algunos de los datos.

El nuevo superconductor está hecho de lutecio, un metal de tierras raras, e hidrógeno con un poco de nitrógeno mezclado. Necesita una presión de 14.500 psi antes de obtener su destreza superconductora. Esto es aproximadamente 10 veces la presión ejercida en el fondo de las fosas oceánicas más profundas.

Pero también es menos de una centésima parte de lo que requería el resultado de 2020, que era similar a las fuerzas de fractura que se encuentran a varios miles de kilómetros de profundidad en el interior de la Tierra. Esto indica que futuras investigaciones del material podrían conducir a un superconductor que funcione a temperatura ambiente y a la presión atmosférica típica de 14,7 psi.

“Este es el comienzo de un nuevo tipo de material que es útil para aplicaciones prácticas”, dijo el martes Ranga P. Dias, profesor de ingeniería mecánica y física en la Universidad de Rochester en Nueva York, en una sala llena de científicos. En una reunión de la American Physical Society en Las Vegas.

Fue un recuento completo de los resultados de su equipo. Publicado el miércoles en Natureque es la misma revista que publicó, y luego se retractó, de los resultados de 2020.

El equipo de Rochester comenzó con copos diminutos y delgados de lutecio, un metal de color blanco plateado que se encuentra entre los elementos de tierras raras más raros, y los comprimió entre dos diamantes entrelazados. Luego, se bombeó un gas de 99 por ciento de hidrógeno y 1 por ciento de nitrógeno a la pequeña cámara y se expulsó a altas presiones. La muestra se calentó durante la noche a 150 grados Fahrenheit y, después de 24 horas, se liberó la presión.

Alrededor de un tercio de las veces, el proceso produjo el resultado deseado: un diminuto cristal azul vibrante. “No es tan fácil convertir el nitrógeno en hidruro de lutecio”, dijo el Dr. Dias.

En una sala de laboratorio de la Universidad de Rochester utilizada por el grupo del Dr. Dias, la estudiante graduada Hiranya Basan demostró la sorprendente propiedad variable de los materiales durante la visita de un reportero la semana pasada. A medida que se apretaban los tornillos para aumentar la presión, el azul se sonrojó.

“Es muy rosado”, dijo el Dr. Dias. Con presiones más altas, dijo, “se vuelve rojo brillante”.

Hacer brillar un láser a través de los cristales reveló cómo vibran y desbloqueó información sobre la estructura.

En otra habitación, otros miembros del equipo del Dr. Dias estaban realizando mediciones magnéticas en otros cristales. A medida que bajaban las temperaturas, los gnomos proyectados aparecían en los datos trazados en la pantalla de la computadora, lo que indicaba la transición a un superconductor.

“Esa es una medición directa que estamos haciendo ahora”, dijo el Dr. Dias.

En el artículo, los investigadores informan que los cristales rosas exhibieron propiedades clave de los superconductores, como resistencia cero, a temperaturas de hasta 70 grados Fahrenheit.

“Soy cautelosamente optimista”, dijo Timothy Strobel, científico de la Carnegie Institution for Science en Washington que no participó en el estudio del Dr. Dias. “Los datos en el periódico se ven muy bien”.

“Si esto es real, es un avance muy, muy importante”, dijo Paul CW Chu, profesor de física en la Universidad de Houston que tampoco participó en la investigación.

Sin embargo, la parte del “si” de ese sentimiento gira en torno al Dr. Dias, quien es perseguido por el escepticismo, las críticas e incluso las acusaciones de algunos científicos de que fabricó algunos de sus datos. Los hallazgos del artículo de Nature de 2020 no han sido reproducidos por otros grupos de investigación, y los críticos dicen que el Dr. Dias ha tardado en permitir que otros examinen sus datos o realicen análisis independientes de sus superconductores.

Los editores de Nature se retractaron del artículo anterior el año pasado a pesar de las objeciones del Dr. Dias y los otros autores.

“He perdido algo de fe en lo que viene de ese grupo”, dijo James Hamlin, profesor de física de la Universidad de Florida.

Sin embargo, el nuevo artículo pasó el proceso de revisión por pares en la misma revista.

Una portavoz de Nature dijo: “El retiro de un trabajo de investigación no descalifica automáticamente al autor para enviar nuevos manuscritos”. “Todos los manuscritos presentados se consideran de forma independiente sobre la base de la calidad y oportunidad de su conocimiento”.

En la conferencia del martes en Las Vegas, tantos físicos se apiñaron en una sala de conferencias abarrotada que un moderador pidió a algunos que se fueran para no tener que cancelar la presentación. Una vez que se aclaró la sala, el Dr. Dias pudo presentar sus hallazgos sin interrupción. Mientras agradecía a la multitud, el moderador lamentó que se les hubiera acabado el tiempo para hacer preguntas.

El Dr. Strobel reconoció la controversia en curso que rodea al Dr. Dias y las afirmaciones inusuales anteriores que aún no se han reproducido.

“No quiero leer demasiado, pero podría haber un patrón de comportamiento aquí”, dijo el Dr. Strobel. “Realmente podría ser el mejor físico hiperbárico del mundo, a punto de ganar un Premio Nobel. O algo más está pasando”.

bajo presión

La superconductividad fue descubierta por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes y su equipo en 1911. Los superconductores no solo transportan electricidad con cero resistencia eléctrica, sino que también poseen una extraña habilidad conocida como efecto Meissner que asegura que no haya un campo magnético dentro de un material. .

Los primeros superconductores conocidos requerían temperaturas por encima del cero absoluto, o menos 459,67 grados Fahrenheit. En la década de 1980, los físicos descubrieron los llamados superconductores de alta temperatura, pero incluso esos superconductores se vuelven en condiciones mucho más frías que las que encontramos en el uso diario.

La teoría estándar que explica la superconductividad predice que el hidrógeno debería ser superconductor a temperaturas más altas si se puede comprimir lo suficientemente fuerte. Pero incluso el diamante más resistente se rompe antes de que pueda alcanzar tensiones de esta magnitud. Los científicos comenzaron a observar el hidrógeno mezclado con otro elemento, pensando que los enlaces químicos podrían ayudar a comprimir los átomos de hidrógeno.

En 2015, Mikhail Eremets, físico del Instituto Max Planck de Química en Mainz, Alemania, informó que el sulfuro de hidrógeno, una molécula que consta de dos átomos de hidrógeno y un átomo de azufre, se transformó en un superconductor a 94 grados Fahrenheit bajo presión cuando se comprimió a unos 22 Mn. libras por pulgada cuadrada. Esta fue una temperatura alta récord para un superconductor en ese momento.

El Dr. Eremets y otros científicos descubrieron más tarde que el hidruro de lantano, un compuesto que contiene hidrógeno y lantano, alcanzó una temperatura superconductora de menos de 10 grados Fahrenheit bajo presiones muy altas.

En la investigación descrita en el artículo retirado de 2020, el grupo del Dr. Dias usó hidrógeno, azufre y carbono. Los científicos dijeron que, a través de tres elementos, pudieron ajustar las propiedades electrónicas del compuesto para lograr una superconductividad a alta temperatura.

Sin embargo, no todos lo creyeron.

El principal oponente del Dr. Dias es Jorge Hirsch, físico teórico de la Universidad de California, San Diego. Se centró en las mediciones realizadas por el grupo del Dr. Dias de la respuesta de un compuesto de carbono, azufre e hidrógeno a los campos magnéticos fluctuantes, que es evidencia del efecto Meissner. La trama en el artículo se veía muy limpia y los científicos no explicaron cómo excluyeron las influencias de fondo en la trama.

Cuando el Dr. Dias publicó los datos sin procesar subyacentes, dijo el Dr. Hirsch, su análisis indicó que habían sido generados por una fórmula matemática y que en realidad no podían medirse en un experimento. “Con la analogía, no obtienes fórmulas analíticas”, dijo el Dr. Hirsch. “Obtienes números con ruido”.

Sus quejas sobre el Dr. Dias se volvieron tan persistentes e intensas que otros en el campo circularon una carta quejándose de las décadas de comportamiento disruptivo del Dr. Hirsch.

El Dr. Hirsch es un showman de una tienda de porcelana que apunta a la teoría BCS, que fue ideada en 1957 por tres físicos, John Bardeen, Leon N. Cooper y J. Robert Shriver, para explicar cómo funciona la superconductividad. En muchos sentidos, dice, BCS es una “mentira”, incapaz de explicar el efecto Meissner. Se le ocurrió su propia explicación alternativa.

En particular, el Dr. Hirsch decía que no puede haber superconductividad en ninguno de estos materiales de alta presión porque el hidrógeno no puede ser un superconductor. Tiene algunos aliados.

Si bien el Dr. Hirsch tiene cuidado de decir que los científicos que no sean el Dr. Dias no cometen mala conducta, dice que se están engañando a sí mismos.

“En mi opinión, las sobras se convierten en conclusiones”, dijo.

resistencia y reproducción

El Dr. Hamlin de la Universidad de Florida también profundizó en las mediciones magnéticas y dijo que parecía que los datos sin procesar se derivaron de los datos publicados y no al revés.

Al Dr. Hamlin también le molestó descubrir que varios pasajes de su tesis doctoral, que escribió en 2007, habían aparecido, palabra por palabra, en la tesis del Dr. Dias.

D se niega. Dias continuó con las críticas y dice que su grupo ha dado explicaciones. “Se sentía como un ruido de fondo”, dijo. “Estamos tratando de seguir haciendo avanzar nuestra ciencia”.

Dijo que aún mantiene los hallazgos anteriores y que el periódico del miércoles utilizó una nueva técnica para las mediciones magnéticas. Dijo que el documento pasó por cinco rondas de escrutinio por parte de los revisores y que se habían compartido todos los datos sin procesar detrás de los hallazgos.

“Está de vuelta en la naturaleza otra vez”, dijo el Dr. Dias. “Así que eso te dice algo”.

Después de dos investigaciones universitarias, Sarah Miller, vocera de la Universidad de Rochester, dijo: “Se ha determinado que no hay evidencia que respalde estas preocupaciones”. También dijo que la universidad había “considerado la cuestión de retirar el artículo de Nature en septiembre de 2022 y llegó a la misma conclusión”.

En cuanto a la transcripción de la tesis doctoral del Dr. Hamlin, el Dr. Dias dijo que debería haber incluido citas. “Fue mi culpa”, dijo el Dr. Dias.

Vuelva a realizar las mediciones de preimpresión de carbono, azufre e hidrógeno del documento retirado de 2020 ahora está circulando, pero incluso eso plantea preguntas. “Difieren mucho de las medidas originales”, dijo el Dr. Strobel. “Se podría argumentar que no reprodujeron los resultados por sí mismos”.

Debido a que el nuevo material a base de lutecio es superconductor a presiones mucho más bajas, muchos otros grupos de investigación podrán intentar reproducir el experimento. El Dr. Dias dijo que quiere proporcionar una receta más precisa sobre cómo hacer el compuesto y compartir muestras, pero primero se deben resolver los problemas de propiedad intelectual. Ha fundado una empresa, Unearthly Materials, que planea convertir la investigación en ganancias.

El Dr. Strobel dijo que comenzará a trabajar tan pronto como regrese de la conferencia de Las Vegas. “Podríamos obtener un resultado literalmente en un día”, dijo.

El Dr. Hirsch también dijo que espera que las respuestas lleguen rápidamente. “Si esto es cierto”, dijo, “prueba que mi trabajo de los últimos 35 años está equivocado”. “Por lo que estaría muy feliz, porque lo sabría”.

El Dr. Hirsch agregó: “Pero creo que tengo razón y está mal”.

kimberly mcgee Reportaje contribuido desde Las Vegas.