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Las afirmaciones sobre un superconductor a temperatura ambiente se volvieron virales la semana pasada. Aquí está todo lo que sabemos.

Desde su primer descubrimiento en 1911, los superconductores (materiales que conducen perfectamente la electricidad) han seducido y atormentado a los físicos durante mucho tiempo.

Los superconductores se utilizan en aceleradores de partículas, dispositivos de fusión nuclear, máquinas de resonancia magnética e incluso trenes maglev. Sin embargo, las aplicaciones más amplias y comunes se ven obstaculizadas por un límite de temperatura prohibitivo; hasta ahora, no se ha demostrado que ningún superconductor funcione a presiones y temperaturas ambientales.

El 22 de julio, científicos de Corea del Sur publicaron una investigación que afirmaba haber resuelto este problema. Dicen que su material, llamado LK-99, tiene una resistividad eléctrica, o resistencia al flujo de corriente eléctrica, que cae casi a cero a 30 grados Celsius (86 grados Fahrenheit). Sus afirmaciones han provocado una carrera mundial para recrear el material y probar sus propiedades. Hasta el 4 de agosto nadie ha podido replicar los resultados.

Aquí encontrará todo lo que necesita saber sobre los superconductores.

Todos los materiales poseen una propiedad conocida como resistividad: si intentamos enviar una corriente eléctrica a través de ellos, parte de la energía de la corriente inevitablemente se perderá. Esto se debe a que los electrones que transportan corriente chocan con los iones que se mueven dentro del material, creando oposición a su flujo.

Pero al enfriar un material de modo que los iones de su interior tengan menos energía para vibrar, las tasas de colisión disminuyen, lo que reduce drásticamente la resistividad. La mayoría de los materiales necesitarían llegar al estado imposible de alcanzar del cero absoluto para tener una resistividad cero; sin embargo, algunos materiales raros pueden alcanzar una resistividad cero por encima de las temperaturas del cero absoluto; a estos materiales los llamamos superconductores.

El primer superconductor fue descubierto en 1911 después de que el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes notara que un alambre de mercurio sobreenfriado (su temperatura bajó aproximadamente a menos 452 F (menos 269 C) ya no resistía el flujo de electricidad; una observación que le valió el Premio Nobel. en Física. Sus observaciones pronto se realizaron utilizando otros elementos como plomo, niobio y estaño.

A pesar del descubrimiento de Onnes, explicar por qué sucedió llevaría décadas.

La explicación finalmente surgió en 1957 bajo el nombre de “teoría BCS”, ganadora del Premio Nobel. La teoría BCS, que lleva el nombre de sus descubridores John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer, explicaba que la superconductividad surgía de las ondas causadas por los electrones a medida que se movían a través del material. A temperaturas suficientemente bajas, estas ondas hacen que los núcleos atómicos dentro de los átomos se atraigan entre sí, lo que a su vez provoca una ligera compensación en la carga que atrae un segundo electrón al primero. La fuerza de esta atracción hace que suceda algo extraño: en lugar de repelerse entre sí mediante la fuerza de repulsión electrostática, los electrones se unen formando un "par de Cooper".

Los pares de Cooper siguen reglas de la mecánica cuántica diferentes a las de los electrones solitarios. En lugar de apilarse encima de cada uno para formar capas de energía, actúan como partículas de luz, de las cuales un número infinito puede ocupar el mismo punto en el espacio al mismo tiempo. Si se crean suficientes pares de Cooper en todo el material, se convertirán en un superfluido que fluirá sin ninguna pérdida de energía. Agite un superfluido una vez y, en teoría, permanecerá girando hasta el fin del universo.

Pero esto estuvo lejos de ser la sorpresa final que la superconductividad tenía reservada a los físicos. En 1986, el fallecido Alex Müller y Georg Bednorz, ambos de IBM, descubrieron que materiales llamados cupratos (compuestos por capas de cobre y oxígeno intercaladas entre otros elementos) podían ser superconductores a temperaturas tan altas como -211 F (-135 C).

Aún no se comprende del todo por qué sucede esto exactamente, pero la teoría dominante es la propuesta por el físico estadounidense Phillip Anderson, quien sugirió que los electrones elegirán intercambiar lugares entre sí a través de un proceso mecánico cuántico llamado superintercambio.

Los electrones buscan constantemente cambiar de lugar porque, al igual que todas las partículas y muchas cosas en la naturaleza, buscan ocupar el estado de energía más bajo posible. Como el principio de incertidumbre de Heisenberg establece que sólo se puede conocer claramente la posición o el momento de una partícula al mismo tiempo, los electrones se mueven para hacer que sus posiciones sean las más inciertas y su momento más claramente definido.

Esta conmutación constante permite a su vez definir mejor la energía de los electrones, permitiéndoles descender al estado energético más bajo posible. ¿Y cuál es la configuración ideal para que se produzca este cambio? Resulta que es un mar de pares de Cooper espaciados uniformemente.

Algunos experimentos recientes han sugerido que Anderson tenía razón (al menos en los materiales que estudiaron), pero, en teoría, el superintercambio podría ser sólo un tipo de pegamento de electrones entre muchos. Igualmente incierto es a qué temperatura podrían funcionar algunos de estos hipotéticos pegamentos de electrones y qué materiales fabricados podrían producir estos pegamentos de electrones.

Los superconductores tienen una propiedad reveladora: la levitación. Debido a que una corriente que fluye genera un campo magnético, a medida que los materiales pasan a estados superconductores, los electrones del interior fluyen sin fricción, generando un campo magnético que puede repeler un imán externo con una fuerza igual y opuesta. Coloque un superconductor encima de un imán y quedará perfectamente suspendido en el aire, fenómeno llamado efecto Meissner.

Los superconductores a temperatura ambiente no violan ninguna teoría física conocida, pero tampoco ninguna teoría los predice.

La dificultad de crearlos se reduce a un rompecabezas de ingeniería, con una imponente variedad de átomos y propiedades químicas en muchas combinaciones de materiales para probar.

Entre los materiales que los científicos han probado se encuentra el grafeno, cuya superconductividad a baja temperatura puede activarse o desactivarse dependiendo de los giros y vueltas de sus láminas de un átomo de espesor. Otro candidato prometedor es el elemento escandio, un metal plateado que, según informaron los investigadores este año, puede ser superconductor a temperaturas más cálidas (pero aún muy frías).

Sin embargo, una afirmación infame ha dejado el campo envuelto en un escándalo. En un experimento de 2020, los investigadores dijeron que observaron una mezcla de carbono, azufre e hidrógeno triturada a altas presiones debajo de dos diamantes superconductores a una impresionante temperatura de 57 F (14 C). Un experimento de seguimiento realizado este año mejoró la afirmación: para un trozo de material ampliado, la temperatura superconductora era en realidad de hasta 70 F (21 grados C). Sin embargo, tras la investigación de otros científicos, el artículo de 2020 fue retractado y el equipo detrás de los dos experimentos fue acusado de manipulación de datos y plagio.

En esta concurrida escena aparece LK-99, un material cuya resistividad, según afirman sus investigadores, cae casi a cero a 86 F (30 C). El material se compone de una mezcla de polvos que contienen plomo, oxígeno, azufre y fósforo dopado con cobre. También es relativamente fácil de fabricar y probar.

Hasta el momento, las instituciones científicas han anunciado 11 intentos de replicar los resultados y siete han declarado resultados. De estos siete, tres han encontrado propiedades similares a las reivindicadas para LK-99, pero no superconductividad. Los cuatro restantes no observaron ni magnetismo ni superconductividad.

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Ben Turner es redactor de Live Science con sede en el Reino Unido. Cubre física y astronomía, entre otros temas como tecnología y cambio climático. Se graduó en la University College London con una licenciatura en física de partículas antes de formarse como periodista. Cuando no está escribiendo, a Ben le gusta leer literatura, tocar la guitarra y avergonzarse jugando al ajedrez.

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