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Superconductor a temperatura ambiente

Problema no resuelto en física :

¿Es posible fabricar un material que sea superconductor a temperatura ambiente y presión atmosférica?

(más problemas sin resolver en física)

Un superconductor a temperatura ambiente es un material hipotético capaz de mostrar superconductividad a temperaturas superiores a 0 °C (273 K; 32 °F), que se encuentran comúnmente en entornos cotidianos. A partir de 2023, el material con la temperatura superconductora más alta aceptada era el decahidruro de lantano altamente presurizado , cuya temperatura de transición es de aproximadamente 250 K (-23 °C) a 200 GPa. [1] [2]

A presión atmosférica estándar , los cupratos ostentan actualmente el récord de temperatura, manifestando superconductividad a temperaturas de hasta 138 K (-135 °C). [3] Con el tiempo, los investigadores han encontrado constantemente superconductividad a temperaturas que antes se consideraban inesperadas o imposibles, desafiando la idea de que lograr superconductividad a temperatura ambiente era inviable. [4] [5] El concepto de efectos transitorios de "temperatura cercana a la ambiente" ha sido un tema de discusión desde principios de la década de 1950.

Significado

El descubrimiento de un superconductor a temperatura ambiente tendría una enorme importancia tecnológica. Tiene el potencial de abordar los desafíos energéticos globales, mejorar la velocidad de la computación, habilitar dispositivos innovadores de almacenamiento de memoria y crear sensores altamente sensibles, entre una multitud de otras posibilidades. [5] [6]

Informes

Desde el descubrimiento de superconductores de alta temperatura ("altas" son temperaturas superiores a 77 K (-196,2 °C; -321,1 °F), el punto de ebullición del nitrógeno líquido ), se ha afirmado, aunque no confirmado, que varios materiales son temperatura ambiente. -Superconductores de temperatura. [7]

Estudios corroborados

En 2014, un artículo publicado en Nature sugirió que algunos materiales, en particular YBCO ( óxido de itrio, bario y cobre ), podrían hacerse superconductores brevemente a temperatura ambiente utilizando pulsos de láser infrarrojo . [8]

En 2015, un artículo publicado en Nature por investigadores del Instituto Otto Hahn sugirió que bajo ciertas condiciones como presión extrema H
2S pasó a una forma superconductora H
3S a 150 GPa (alrededor de 1,5 millones de veces la presión atmosférica) en una celda de yunque de diamante . [9] La temperatura crítica es 203 K (-70 °C) , que sería la Tc más alta jamás registrada y su investigación sugiere que otros compuestos de hidrógeno podrían superconducir hasta 260 K (-13 °C). [10] [11]

También en 2018, los investigadores observaron una posible fase superconductora a 260 K (-13 °C) en decahidruro de lantano ( La H
10) a presión elevada (200  GPa ). [12] En 2019, el material con la temperatura superconductora más alta aceptada fue el decahidruro de lantano altamente presurizado, cuya temperatura de transición es de aproximadamente 250 K (-23 °C). [1] [2]

Estudios no corroborados

En 1993 y 1997, Michel Laguës y su equipo publicaron pruebas de la superconductividad a temperatura ambiente observada en nanoestructuras ultrafinas de BiSrCaCuO depositadas en MBE. [13] [14] Estos compuestos exhiben resistividades extremadamente bajas, órdenes de magnitud inferiores a las del cobre, características I(V) fuertemente no lineales y comportamiento I(V) histerético.

En 2000, mientras extraía electrones de un diamante durante un trabajo de implantación de iones , Johan Prins afirmó haber observado un fenómeno que explicó como superconductividad a temperatura ambiente dentro de una fase formada en la superficie de diamantes tipo IIa dopados con oxígeno en un vacío de 10 −6  mbar. . [15]

En 2003, un grupo de investigadores publicó resultados sobre la superconductividad a alta temperatura en hidruro de paladio (PdH x : x > 1 ) [16] y una explicación en 2004. [17] En 2007, el mismo grupo publicó resultados que sugerían una temperatura de transición superconductora de 260 K, [18] con una temperatura de transición que aumenta a medida que aumenta la densidad del hidrógeno dentro de la red de paladio. Esto no ha sido corroborado por otros grupos.

En marzo de 2021, un anuncio informó sobre superconductividad en un material en capas de itrio-paladio-hidrón a 262 K y una presión de 187 GPa. El paladio puede actuar como catalizador de migración de hidrógeno en el material. [19]

El 23 de julio de 2023, un equipo coreano afirmó que la apatita de plomo dopada con Cu, a la que llamaron LK-99 , era superconductora hasta 370 K, aunque no lo habían observado completamente. [20] Publicaron dos preimpresiones en arXiv , [21] publicaron un artículo en una revista, [22] y presentaron una solicitud de patente. [23] Las observaciones reportadas fueron recibidas con escepticismo por los expertos debido a la falta de firmas claras de superconductividad. [24] La historia fue ampliamente discutida en las redes sociales, lo que dio lugar a un gran número de intentos de replicación, ninguno de los cuales tuvo más que un éxito limitado. A mediados de agosto, una serie de artículos de importantes laboratorios proporcionaron evidencia significativa de que LK-99 no era un superconductor, encontraron una resistividad mucho mayor que la del cobre y explicaron los efectos observados, como la respuesta magnética y las caídas de resistencia, en términos de impurezas y ferromagnetismo en el material. [25] [26]

El 31 de diciembre de 2023 se publicó "Superconductividad global a temperatura ambiente en grafito" en la revista "Advanced Quantum Technologies", afirmando demostrar la superconductividad a temperatura ambiente y presión ambiente en grafito pirolítico altamente orientado con densas matrices de defectos lineales casi paralelos. [27]

Estudios retractados o poco fiables.

Un imán está suspendido sobre un superconductor de alta temperatura (-200 °C) enfriado con nitrógeno líquido.
Un imán que levita sobre un superconductor (a -200 °C) que exhibe el efecto Meissner .

En 2012, un artículo de Advanced Materials afirmaba el comportamiento superconductor del polvo de grafito después del tratamiento con agua pura a temperaturas de hasta 300 K o más. [28] [ ¿ fuente poco confiable? ] Hasta el momento los autores no han podido demostrar la aparición de una fase Meissner clara ni la desaparición de la resistencia del material.

En 2018, Dev Kumar Thapa y Anshu Pandey de la Unidad de Química Estructural y de Estado Sólido del Instituto Indio de Ciencias de Bangalore afirmaron la observación de la superconductividad a presión ambiente y temperatura ambiente en películas y gránulos de un material nanoestructurado compuesto de partículas de plata. Incrustado en una matriz de oro. [29] Debido a patrones de ruido similares de tramas supuestamente independientes y la falta de revisión por pares de la publicación , los resultados han sido cuestionados. [30] Aunque los investigadores repitieron sus hallazgos en un artículo posterior en 2019, [31] esta afirmación aún debe ser verificada y confirmada. [ cita necesaria ]

Desde 2016, un equipo liderado por Ranga P. Dias ha elaborado numerosos artículos retractados o cuestionados en este campo. En 2016, afirmaron haber observado hidrógeno metálico sólido en 2016. [32] En octubre de 2020, informaron sobre superconductividad a temperatura ambiente de 288 K (a 15 °C) en un hidruro de azufre carbonoso a 267 GPa, desencadenada por la cristalización mediante un láser verde. [33] [34] Esto se retractó en 2022 después de que se identificaron fallas en sus métodos estadísticos que llevaron al cuestionamiento de otros datos. [35] [36] [37] [38] [39] [40] En 2023, informó sobre superconductividad a 294 K y 1 GPa en hidruro de lutecio dopado con nitrógeno , en un artículo ampliamente recibido con escepticismo sobre sus métodos y datos. Más tarde, en 2023, se descubrió que había plagiado partes de su disertación de la tesis de otra persona y que había fabricado datos en un artículo sobre el disulfuro de manganeso , que fue retractado. [41] El papel de hidruro de lutecio también fue retirado. [ cita necesaria ] Los primeros intentos de replicar esos resultados fracasaron. [42] [43] [44]

Teorias

Emparejamiento mediado por hidrógeno metálico y fonones.

El trabajo teórico del físico británico Neil Ashcroft predijo que el hidrógeno metálico sólido a una presión extremadamente alta (~500  GPa ) debería volverse superconductor aproximadamente a temperatura ambiente, debido a su velocidad extremadamente alta del sonido y al fuerte acoplamiento esperado entre los electrones de conducción y la vibración de la red. fonones . [45]

Un equipo de la Universidad de Harvard afirma producir hidrógeno metálico y reporta una presión de 495 GPa. [46] Aunque aún no se ha determinado la temperatura crítica exacta, es posible que hayan aparecido signos débiles de un posible efecto Meissner y cambios en la susceptibilidad magnética a 250 K en las primeras pruebas del magnetómetro en una muestra original ahora perdida. Un equipo francés está trabajando con formas de rosquilla en lugar de planas en las puntas de las culetas de diamantes. [47]

Polímeros orgánicos y emparejamiento mediado por excitones.

En 1964, William A. Little propuso la posibilidad de superconductividad a alta temperatura en polímeros orgánicos . [48]

Otros hidruros

En 2004, Ashcroft retomó su idea y sugirió que los compuestos ricos en hidrógeno pueden volverse metálicos y superconductores a presiones más bajas que el hidrógeno. Más específicamente, propuso una forma novedosa de precomprimir químicamente el hidrógeno examinando los hidruros IVa . [49]

En 2014-2015, se observó superconductividad convencional en un sistema de hidruro de azufre ( H2S o H
3S ) de 190 K a 203 K a presiones de hasta 200 GPa.

En 2016, una investigación sugirió un vínculo entre el hidruro de paladio que contiene pequeñas impurezas de nanopartículas de azufre como una explicación plausible para las caídas anómalas de resistencia transitoria observadas durante algunos experimentos, y se sugirió la absorción de hidrógeno por cupratos a la luz de los resultados de 2015 en H.2S como una explicación plausible para las caídas transitorias de resistencia o "USO" observadas en la década de 1990 por Chu et al. durante la investigación posterior al descubrimiento de YBCO . [ cita necesaria ] [50]

Se ha predicho que Sc H
12(dodecahidruro de escandio) exhibiría superconductividad a temperatura ambiente ( Tc entre 333 K (60 °C) y 398 K (125 °C)) bajo una presión que se espera que no exceda los 100 GPa. [51]

Actualmente, algunos esfuerzos de investigación se están dirigiendo hacia los superhidruros ternarios , donde se ha predicho que Li
2MgH
dieciséis(hexadecahidruro de dilitio y magnesio) tendría una Tc de 473 K (200 °C) a 250 GPa. [52] [53]

Acoplamiento de giro

También es posible que si la explicación del bipolarismo es correcta, un material normalmente semiconductor pueda pasar, bajo algunas condiciones, a un superconductor si se excede un nivel crítico de acoplamiento de espín alterno en un solo plano dentro de la red; esto puede haber sido documentado en experimentos muy tempranos de 1986. La mejor analogía aquí sería la magnetorresistencia anisotrópica , pero en este caso el resultado es una caída a cero en lugar de una disminución dentro de un rango de temperatura muy estrecho para los compuestos probados similares a "re -superconductividad entrante". [ cita necesaria ]

En 2018, se encontró soporte para electrones que tenían estados anómalos de espín 3/2 en YPtBi. [54] Aunque YPtBi es un superconductor de temperatura relativamente baja, esto sugiere otro enfoque para crear superconductores. [55]

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    2    MgH
    dieciséis    con una Tc estimada notablemente alta de ~ 473 K a 250 GPa, lo que puede permitirnos obtener superconductividad a temperatura ambiente o incluso a temperatura más alta .
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    2    mgh​
    dieciséis    tendría una Tc de 473  K a 250 GPa, muy por encima de la temperatura ambiente .
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