Crean un material “imposible” que se teorizó en 1911

Cuando queremos transportar electricidad de un lugar a otro nos valemos de los materiales conductores que guían los electrones. Imaginemos un circuito simple con una pila y una bombilla; en este caso, los electrones fluyen desde la cara negativa de la pila hasta la bombilla y luego vuelven a la cara positiva, cerrando el circuito. Pero este circuito tiene un pequeño secreto: el propio cable que utilizamos, normalmente fabricado con cobre, ofrece una pequeña resistencia a los electrones. Muy pequeña, pero existente. Cuando se produce un cortocircuito, y aumenta el flujo de electrones de manera masiva por el cable de cobre, se produce el efecto Joule, es decir, que los choques de miles de millones de electrones contra las impurezas del material lo pueden calentar hasta que se prenda fuego. Normalmente nos valemos de este efecto de forma controlada en estufas o tostadoras eléctricas para calentarnos nosotros o nuestro almuerzo, pero desde hace unos años existen materiales que no ofrecen ningún tipo de resistencia ante el flujo de electrones; los llamados “superconductores”. Es decir, la superconducción es el fenómeno por el cual los electrones se mueven por un material sin ninguna resistencia.

Un viaje sin baches

Los superconductores son muy interesantes para el transporte de energía eléctrica, ya que, como hemos comentado, una parte significativa de la electricidad que generamos se pierde debido al calor producido por el fluir de los electrones por el cable. Por tanto, si se pudiesen aplicar materiales superconductores a la red del sistema eléctrico, el flujo sería prácticamente perfecto, es decir, que no se desperdiciaría energía en forma de calor y toda la electricidad que se generara llegaría al lugar deseado.

El problema de estos materiales con propiedades tan exóticas es que generalmente se ha de trabajar con ellos en entornos altamente controlados y a temperaturas cercanas al cero absoluto. Sin embargo, los avances recientes han conseguido hacer funcionar estos materiales a temperatura ambiente, pero todavía con presiones muy elevadas y esto es un problema para conseguir un uso comercial. Si consiguiésemos aplicar estos materiales a la actual red eléctrica, no haría falta que las centrales se encontrasen en lugares próximos a las ciudades, si no que podrían construirse en los entornos más adecuados para ellas, permitiendo maximizar su producción.

Una carretera en un solo sentido

Además de para el transporte de electricidad, el campo de la computación también está muy interesado en la aplicación de superconductores porque permitiría multiplicar la velocidad de los equipos y la eficiencia de los componentes electrónicos. Ahora bien, uno de los problemas principales para la utilización de estos materiales es que en cuanto los electrones se mueven por el superconductor, es muy complejo pararlos y canalizarlos sin utilizar fuentes externas como campos magnéticos, lo que dificulta su manejo y reduce sus aplicaciones reales. En un artículo publicado en la revista Nature, el grupo de investigación de la Universidad Tecnológica de Delft liderado por el Prof. Dr. Mazhar Ali nos muestra cómo han creado un material con unas propiedades que se creían imposibles: es superconductor en una sola dirección.

Para que nos hagamos una idea, los propios integrantes del laboratorio lo comparan con haber inventado una pista de patinaje sobre hielo especial en la que si intentas patinar hacia un lado no ofrece ningún tipo de resistencia y avanzas sin fin, pero que si giras 180 grados e intentas volver por donde has venido, es completamente imposible.

Se trata de un gran avance en este campo ya que anteriormente se necesitaban semiconductores para poder crear estos dispositivos, pero la entrada en juego de los superconductores puede revolucionar la electrónica. En palabras del propio Prof. Dr. Mazhar Ali: “Esto permitirá crear ordenadores más potentes, con velocidades de hasta terahercios, unas 300 o 400 veces más rápidos que los ordenadores que usamos ahora.”

Cómo superconducir

El fenómeno de la superconductividad fue descubierto por el físico neerlandes Heike Kamerkingh Onnes en 1911 y se trata de explicar utilizando física cuántica mediante la teoría BCS. En dicha teoría, los electrones no se mueven solos por el material, si no que forman parejas denominadas pares de Cooper. Gracias a este acoplamiento, en el material se forma una onda cuántica colectiva que tiene como consecuencia la disminución de la resistencia a la electricidad cuando bajamos de la denominada “temperatura crítica”.

Todavía faltan años para comprender completamente las propiedades de estos materiales superconductores y cómo conseguir que sean parte de nuestro día a día, pero de eso se encarga la ciencia básica, de avanzar paso a paso y entender el mundo que nos rodea. Estos descubrimientos nos acercan al futuro y, como indica el Prof. Dr. Mazhar Ali “Si el siglo XX fue el siglo de los semiconductores, el XXI puede convertirse en el siglo de los superconductores”.

QUE NO TE LA CUELEN

• Puede parecer que se invierte demasiado en este tipo de estudios que no tienen una aplicación clara para la vida real, pero la ciencia básica sienta las bases para que en un futuro sí se puedan utilizar. No vamos a tener ordenadores con la tecnología de la superconducción en nuestra casa en un futuro cercano, pero quién sabe cuánto habrá avanzado la civilización en 50, 100 o 200 años.

REFERENCIAS (MLA)

• Wu, H., Wang, Y., Xu, Y. et al. The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure. Nature 604, 653–656 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04504-8