Obtienen superconductividad a una temperatura más alta que las usuales

Fue en un estudio a cargo de científicos brasileños que se publicó en la portada de la revista Nanoscale. El tema suscita interés debido a sus posibles aplicaciones en dispositivos electrónicos de próxima generación.

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Cuando se los enfría a temperaturas extremadamente bajas, ciertos materiales se vuelven conductores de la corriente eléctrica sin resistencia ni pérdidas. Esta propiedad, a la que se la denomina superconductividad, fue descubierta en el año 1911 por el físico neerlandés Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926), galardonado con el Nobel de Física dos años más tarde. 

Pese a que ese descubrimiento ya tiene más de un siglo, la superconductividad sigue siendo objeto de un intenso esfuerzo de investigación, tanto por lo que informa acerca de aspectos fundamentales de la realidad material como por sus aplicaciones prácticas en la conversión de energía, en las telecomunicaciones y en los estudios por imágenes aplicados al diagnóstico médico.

Una de estas líneas de investigación se relaciona con la llamada “temperatura de transición superconductora” (Tc), por debajo de la cual un material se vuelve superconductor. Y la importancia de este tema es fácil de entenderse, debido al interés en obtener superconductividad a temperaturas cada vez más altas, es decir, cada vez más cercanas a la temperatura ambiente.

Un trabajo en esta línea de investigación, elaborado por científicos brasileños, apareció estampado en la tapa de la revista Nanoscale. En sus las primeras líneas, el referido artículo menciona el interés que el tema suscita a causa de sus “posibles aplicaciones en dispositivos electrónicos de próxima generación”.

“En el marco de un estudio anterior, nuestro grupo de investigación había estudiado el papel de la presión como variable capaz de modificar la temperatura de transición de un determinado material. En el caso de los materiales bidimensionales, se obtiene un proceso análogo mediante la aplicación de tensiones. Y esto fue lo que hemos estudiado ahora”, dice el investigador Edison Zacarias da Silva, profesor titular del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp), en el estado de São Paulo, y coordinador de la investigación.

Da Silva es uno de los investigadores principales de un Proyecto Temático que cuenta con el apoyo de la FAPESP. La investigación, en la cual se utilizó la nueva computadora Ada Lovelace, del Centro Nacional de Procesamiento de Alto Rendimiento (Cenapad-SP), con sede en la Unicamp, también contó con la colaboración del Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF), un Centro de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID) de la FAPESP.

En el estudio en referido, los científicos emplearon la simulación computacional para investigar el comportamiento superconductor de una monocapa de nitruro de dimolibdeno (Mo₂N), en función de las diferentes temperaturas y tensiones aplicadas. La herramienta matemática utilizada para dilucidar la estructura electrónica del material fue el funcional de la densidad. 

La teoría del funcional de la densidad (TFD, o DFT, del inglés density functional theory) es un modelo simplificado, derivado de la mecánica cuántica, y utilizado en la física de los sólidos y en la química teórica para dilucidar sistemas de muchos cuerpos. En la TDF, las propiedades de los sistemas con muchos electrones son determinadas por medio de funcionales, esto es, de funciones de funciones, en este caso, la distribución espacial de la densidad electrónica.

“El análisis del acoplamiento electrón-fonón permite detectar la formación de pares de Cooper, que caracterizan al estado superconductor”, afirma Da Silva. Cabe recordar que el “fonón” es una excitación mecánica que se propaga por la red cristalina de un sólido. En la física clásica, puede describírselo como una onda elástica. Pero si se tiene en cuenta que este fenómeno sucede a escala atómica, es necesario valerse de la física cuántica. Y en este caso, el fonón debe pensarse como un cuanto de energía que se desplaza por la red. 

La interacción electrón-fonón causa una efectiva interacción atractiva entre dos electrones, lo que los lleva parearse. Y estos electrones pareados, que constituyen los llamados “pares de Cooper” (en honor a su descubridor, Leon Cooper, Premio Nobel de Física de 1972), fluyen juntos por el material sin disipación de energía, lo que define la superconductividad.

“Constatamos que el nitruro de dimolibdeno posee una característica significativa, que es el hecho de que es un electruro y, al mismo tiempo, exhibe superconductividad a temperaturas relativamente altas. Debido a su carácter iónico, los electruros tienen bolsones de electrones confinados en los intersticios del cristal, mientras que los superconductores, dependiendo de la temperatura, no presentan cualquier resistencia al tránsito de los electrones. 

Pese a que estas dos propiedades son aparentemente contrastantes, es posible que coexistan en un mismo material. Y fue precisamente esto lo que demostramos en nuestro trabajo”, informa Zenner Pereira, docente de la Universidad Federal Rural del Semiárido (Ufersa), en el estado de Rio Grande do Norte, y primer autor del artículo publicado en Nanoscale.

Es importante destacar, en carácter de un hallazgo del estudio, la fuerte correlación existente entre las propiedades electrónicas del material y la tensión aplicada. “Nuestra simulación demostró también que la monocapa de Mo₂N exhibe la más alta temperatura de superconducción para este tipo de materiales a presión ambiente, que varían en función de la tensión entre 19,3 kélvines y 24,8 kélvines”, subraya Da Silva.

Aparte de Da Silva y Zenner Pereira, participó en el estudio el profesor Giovani Faccin, de la Universidad Federal de Grande Dourados, en el estado de Mato Grosso do Sul.

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Strain-induced multigap superconductivity in electrene Mo2N: a first principles study en el siguiente enlace: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/NR/D2NR00395C.