A la cabeza de la investigación sobre superconductores: nuevos compuestos de lantano e hidrógeno
Los sorprendentes hallazgos refutan una hipótesis que hasta ahora ha desempeñado un papel central en la investigación de los materiales superconductores
Todos los superconductores conocidos hoy en día que se utilizan en la investigación y la industria son superconductores sólo por debajo de 150 grados Kelvin (unos 120 grados Celsius bajo cero). Por ello, se buscan en todo el mundo materiales que tengan esta propiedad a temperaturas más altas. Basándose en modelos teóricos, los hidruros han ido ganando protagonismo. Un equipo internacional de investigación dirigido por científicos de la Universidad de Bayreuth informa ahora en "Nature Communications" sobre nuevos compuestos de lantano e hidrógeno sintetizados a altas presiones. Los sorprendentes análisis estructurales de estos hidruros de lantano permitirán avanzar en la búsqueda de nuevos superconductores.
Vista del interior de una célula de yunque de diamante.
Leonid Dubrovinsky
Los materiales superconductores se caracterizan por perder su resistencia eléctrica por debajo de una determinada temperatura, la llamada temperatura de transición. En principio, serían ideales para transportar energía eléctrica a distancias muy largas desde el productor de electricidad hasta el consumidor. Se resolverían de un plumazo numerosos retos energéticos: Por ejemplo, la electricidad generada por las turbinas eólicas en la costa podría canalizarse hacia el interior sin pérdidas. Sin embargo, esto sólo sería posible si se dispusiera de materiales con propiedades superconductoras a temperaturas ambiente y normales.
En 2019, se midió una temperatura de transición inusualmente alta de menos 23 grados centígrados en experimentos coordinados por el Instituto Max Planck de Maguncia. La medición tuvo lugar a una presión de compresión de 170 gigapascales, 1,7 millones de veces mayor que la presión de la atmósfera terrestre. El material era un hidruro de lantano (LaH10+δ), un compuesto de átomos del metal lantano con átomos de hidrógeno. El informe sobre estos experimentos y otros similares siguen siendo muy controvertidos. Han despertado un gran interés internacional en la investigación de los hidruros de lantano con diferentes composiciones y estructuras.
El nuevo estudio, publicado en "Nature Communications", retoma este foco de investigación. Los datos de las mediciones de 2019 sugerían que también se forman otros hidruros de lantano superconductores bajo presiones de compresión muy elevadas. Estas consideraciones se han confirmado ahora: En el laboratorio de alta presión del Instituto de Investigación Bávaro de Geoquímica y Geofísica Experimental (BGI) se produjeron un total de siete hidruros de lantano: los dos compuestos ya conocidos LaH10+δ y LaH3, y los hidruros de lantano hasta ahora desconocidos LaH~4, LaH4+δ, La4H23, LaH6+δ y LaH9+δ. Todos estos compuestos se formaron a partir de muestras que contenían lantano y parafina, que es una mezcla rica en hidrógeno de hidrocarburo saturado. Las muestras se sometieron a presiones muy altas, entre 96 y 176 gigapascales, en celdas de yunque de diamante y se calentaron a más de 2.200 grados Celsius.
En colaboración con el Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY) de Hamburgo y el Centro de Fuentes de Radiación Avanzadas de Chicago, fue posible identificar las estructuras de los nuevos compuestos de lantano e hidrógeno. Resultó que los hidruros de lantano con la misma disposición de átomos de lantano difieren considerablemente en su contenido de hidrógeno. En otras palabras, el mismo entramado de átomos de lantano puede estar unido a diferentes números de átomos de hidrógeno. De este modo, los átomos de hidrógeno pueden estar dispuestos de formas muy diferentes. Los científicos han demostrado que también puede existir una diversidad estructural similar en los hidruros que contienen otros metales del grupo de las tierras raras en lugar del lantano. Estos sorprendentes hallazgos refutan una hipótesis que hasta ahora ha desempeñado un papel central en la investigación de materiales superconductores: el prejuicio de que un determinado número y disposición de los átomos de lantano sólo permite una configuración específica de los átomos de hidrógeno.
En este contexto, la coordinadora del estudio, la Prof. Dra. h.c. Natalia Dubrovinskaia, del Laboratorio de Cristalografía de la Universidad de Bayreuth, explica: "En nuestra búsqueda de superconductores con temperaturas de transición más altas, los modelos teóricos y los cálculos basados en ellos son indispensables. Los sólidos que contienen hidrógeno han demostrado ser materiales muy prometedores. La superconductividad de estos compuestos químicos depende, como sabemos hoy, esencialmente del número y la disposición de los átomos de hidrógeno. Por tanto, es aún más importante que nuestros modelos teóricos no incorporen suposiciones incorrectas que lleven a que los sólidos que contienen hidrógeno con una alta temperatura de transición queden sin descubrir". El Prof. Dr. Dr. h.c. Leonid Dubrovinsky del BGI añade: "Nuestros hallazgos sobre los hidruros de lantano nos recuerdan firmemente que en la búsqueda de superconductores óptimos no debemos subestimar el número de posibles compuestos que contienen hidrógeno y la variedad de posibles configuraciones de los átomos de hidrógeno."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
D. Laniel, F. Trybel, B. Winkler, F. Knoop, T. Fedotenko, S. Khandarkhaeva, A. Aslandukova, T. Meier, S. Chariton, K. Glazyrin, V. Milman, V. Prakapenka, I. A. Abrikosov, L. Dubrovinsky, N. Dubrovinskaia: High-pressure synthesis of seven lanthanum hydrides with a significant variability of hydrogen content. Nature communications (2022)
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