Naturaleza de la superconductividad en compuestos ricos en hidrógeno
La espectroscopia de efecto túnel de electrones a alta presión revela una brecha superconductora en H₃S y D₃S.
Los científicos han logrado un hito importante en la búsqueda de la comprensión de la superconductividad de alta temperatura en materiales ricos en hidrógeno. Mediante espectroscopia de efecto túnel de electrones a alta presión, el equipo internacional de investigación dirigido por el Instituto Max Planck de Química ha medido la brecha superconductora del H₃S, el material que batió el récord de superconductividad a alta presión en 2015 y que sirve de compuesto de partida para posteriores hidruros superconductores de alta temperatura. Los hallazgos, publicados esta semana en Nature, proporcionan la primera prueba microscópica directa de la superconductividad en materiales ricos en hidrógeno y un paso importante hacia su comprensión científica.
Los superconductores son materiales capaces de transportar corriente eléctrica sin resistencia, lo que los hace muy valiosos para tecnologías como la transmisión y el almacenamiento de energía, la levitación magnética y la computación cuántica. Sin embargo, este fenómeno se ha encontrado normalmente muy por debajo de la temperatura ambiente, lo que limita la generalización de sus aplicaciones prácticas. El descubrimiento de la superconductividad en compuestos ricos en hidrógeno, como el sulfuro de hidrógeno (H₃S), que se vuelve superconductor a 203 Kelvin (-70°Celsius), y el decahidruro de lantano (LaH₁₀), que alcanza la superconductividad a 250 Kelvin (-23°Celsius), supuso un avance revolucionario hacia la consecución de la superconductividad a temperatura ambiente. Debido a la temperatura de transición, muy por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido, los investigadores se refieren a los superconductores de alta temperatura.
La clave para entender la superconductividad reside en la brecha superconductora, una propiedad fundamental que revela cómo los electrones se emparejan para formar el estado superconductor. Es la identificación del estado superconductor distinguible de otros estados metálicos.
Sin embargo, medir la brecha superconductora en materiales ricos en hidrógeno como el H₃S ha seguido siendo extremadamente difícil. Estos compuestos deben sintetizarse in situ a presiones extraordinarias -más de un millón de veces la presión atmosférica-, lo que hace inaplicables las técnicas convencionales para medir la brecha, como la espectroscopia de efecto túnel de barrido y la espectroscopia de fotoemisión de ángulo resuelto.
La técnica de tunelización permite conocer directamente el estado superconductor de compuestos ricos en hidrógeno
Para superar este obstáculo, investigadores del Instituto Max Planck de Maguncia desarrollaron una espectroscopia de tunelización de electrones planares capaz de funcionar en condiciones tan extremas. Este logro les ha permitido sondear por primera vez la brecha superconductora del H₃S, ofreciendo una visión directa del estado superconductor de los compuestos ricos en hidrógeno.
Gracias a esta técnica, los investigadores descubrieron que el H₃S presenta una brecha superconductora totalmente abierta con un valor aproximado de 60 milielectronvoltios (meV), mientras que su análogo de deuterio, el D₃S, muestra una brecha de unos 44 meV. El deuterio es un isótopo del hidrógeno y tiene un neutrón más. El hecho de que la brecha en el D₃S sea menor que en el H₃S confirma que la interacción de los electrones con los fonones -vibraciones cuantizadas de la red atómica de un material- es la causa del mecanismo superconductor del H₃S, lo que corrobora las predicciones teóricas realizadas hace tiempo.
Para los investigadores de Maguncia, este avance no es sólo un logro técnico, sino que sienta las bases para desentrañar por completo el origen de la superconductividad de alta temperatura en materiales ricos en hidrógeno. "Esperamos que, al extender esta técnica de tunelización a otros superconductores de hidruro, se puedan identificar los factores clave que permiten la superconductividad a temperaturas aún más elevadas. Esto debería permitir, en última instancia, el desarrollo de nuevos materiales que puedan funcionar en condiciones más prácticas", afirma el Dr. Feng Du, primer autor del estudio ahora publicado.
El Dr. Mikhail Eremets, pionero en el campo de la superconductividad de alta presión fallecido en noviembre de 2024, describió el estudio como "el trabajo más importante en el campo de la superconductividad de hidruros desde el descubrimiento de la superconductividad en H₃S en 2015." Vasily Minkov, jefe de proyecto de Química y Física de Alta Presión en el Instituto Max Planck de Química comentó: "La visión de Mikhail de superconductores que funcionan a temperatura ambiente y presiones moderadas se acerca un paso más a la realidad gracias a este trabajo."
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