Los materiales pueden dividirse en dos categorías según su capacidad para conducir la electricidad. Los metales, como el cobre y la plata, permiten que los electrones se muevan libremente y transporten carga eléctrica. Los aislantes, como el caucho o la madera, retienen sus electrones con firmeza y no permiten que fluya una corriente eléctrica.
A principios del siglo XX, los físicos desarrollaron nuevas técnicas de laboratorio para enfriar materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 °C) y comenzaron a investigar cómo cambia la capacidad de conducir electricidad en condiciones tan extremas. En algunos elementos simples, como el mercurio y el plomo, observaron algo extraordinario: por debajo de cierta temperatura, estos materiales podían conducir electricidad sin resistencia. En las décadas transcurridas desde este descubrimiento, los científicos han encontrado un comportamiento idéntico en miles de compuestos, desde cerámicas hasta nanotubos de carbono.
Ahora consideramos este estado de la materia no como un metal ni como un aislante, sino como una tercera categoría exótica, llamada superconductor. Un superconductor conduce la electricidad a la perfección; esto significa que una corriente eléctrica en un cable superconductor seguiría circulando durante miles de millones de años, sin degradarse ni disiparse.
Electrones en el carril rápido
A nivel microscópico, los electrones de un superconductor se comportan de forma muy distinta de los de un metal normal. Los electrones superconductores se emparejan, lo que les permite desplazarse fácilmente de un extremo del material al otro. El efecto se parece un poco a un carril prioritario para quienes viajan al trabajo en una autopista congestionada. Los electrones solitarios se quedan atrapados en el tráfico y chocan con otros electrones y obstáculos mientras avanzan. En cambio, los electrones emparejados reciben un pase prioritario para recorrer el material por el carril rápido y evitar la congestión.
Los superconductores ya se utilizan fuera del laboratorio en tecnologías como la resonancia magnética (RM). Los equipos de RM emplean superconductores para generar un intenso campo magnético que ofrece a los médicos una forma no invasiva de obtener imágenes del interior del cuerpo de un paciente. Los imanes superconductores también hicieron posible la reciente detección del bosón de Higgs en CERN, al curvar y enfocar haces de partículas en colisión.
Una propiedad interesante y potencialmente útil de los superconductores se manifiesta cuando se colocan cerca de un imán potente. El campo magnético hace que fluyan espontáneamente corrientes eléctricas en la superficie de un superconductor, que a su vez generan su propio campo magnético, opuesto al primero. Como resultado, el superconductor levita a gran altura sobre el imán, suspendido en el aire por una fuerza magnética invisible.
Lo que impide un uso más generalizado de estos materiales es que los superconductores que conocemos solo funcionan a temperaturas muy bajas. En los elementos simples, por ejemplo, la superconductividad desaparece a apenas 10 kelvin, o -263 °C. En compuestos más complejos, como el óxido de itrio, bario y cobre (YBa2Cu3O7), la superconductividad puede persistir a temperaturas más altas, de hasta 100 kelvin (-173 °C). Aunque esto supone una mejora respecto de los elementos simples, sigue siendo mucho más frío que la noche invernal más fría de la Antártida.
Los científicos sueñan con encontrar un material cuyas propiedades superconductoras puedan aprovecharse a temperatura ambiente, pero es una tarea difícil. Al subir la temperatura, suele destruirse el pegamento que une los electrones en pares superconductores, con lo que el material vuelve a su estado metálico, más corriente. Uno de los grandes retos del campo se debe a que todavía entendemos muy poco sobre ese pegamento, salvo en unos pocos casos concretos.
De superátomo a superconductor
Una nueva investigación de la Universidad del Sur de California ha dado un paso novedoso para mejorar nuestra comprensión del origen de la superconductividad. En lugar de estudiar la superconductividad en materiales macroscópicos, como los cables, Vitaly Kresin y sus colegas han logrado aislar y examinar pequeños grupos de unas pocas decenas de átomos de aluminio cada vez. Estos diminutos cúmulos de átomos pueden actuar como un «superátomo» y compartir electrones de una manera que imita a un único átomo gigante.
Lo sorprendente es que las mediciones de estos cúmulos revelan lo que podría ser la señal de un emparejamiento de electrones que persiste hasta los 100 kelvin (-173 °C). Desde luego, sigue siendo una temperatura gélida, pero es 100 veces más alta que la temperatura superconductora de un trozo de cable de aluminio. ¿Por qué un pequeño puñado de átomos se vuelve superconductor a una temperatura mucho más alta que los millones de átomos que forman un cable? Los físicos tienen algunas ideas, pero el fenómeno apenas se ha explorado y podría ser una vía interesante para avanzar en la búsqueda de superconductividad a temperaturas más altas.
¿Quién quiere una tabla voladora?
Si los físicos lograran el objetivo de conseguir superconductividad a temperatura ambiente en un material fácil de convertir en cables, pronto surgirían importantes tecnologías nuevas. Para empezar, los dispositivos que utilizan electricidad serían mucho más eficientes y consumirían menos energía.
Transportar electricidad a largas distancias también sería mucho más fácil, algo especialmente útil para las aplicaciones de energía renovable; algunos han propuesto enormes cables superconductores que conectarían Europa con parques de energía solar en el norte de África.
El hecho de que los superconductores leviten sobre un imán potente también abre la posibilidad de crear trenes eficientes y ultrarrápidos que floten sobre una vía magnética, como la tabla voladora de Marty McFly en Regreso al futuro. Ingenieros japoneses han experimentado con sustituir las ruedas de un tren por grandes superconductores que mantienen los vagones a unos centímetros por encima de la vía. La idea funciona en principio, pero presenta un inconveniente: los trenes deben llevar tanques costosos de helio líquido para mantener fríos los superconductores.
Es probable que muchas tecnologías superconductoras sigan en fase de diseño o sean demasiado caras de implementar, a menos que se descubra un superconductor a temperatura ambiente. Sin embargo, es posible que los avances del grupo de Kresin marquen un hito en este camino.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. Lea el artículo original.
La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Michael Sutherland es investigador universitario de la Royal Society en la Universidad de Cambridge.
Imagen: Un cable superconductor de la empresa alemana de servicios públicos RWE aparece durante una presentación en Essen. REUTERS/Ina Fassbender
