A medida que la electricidad viaja a través de cables, inevitablemente parte de su energía se pierde. Sin embargo, investigadores de Penn State están investigando un enfoque novedoso para eliminar por completo esta pérdida de energía mediante la identificación de materiales conocidos como superconductores. Los superconductores son los únicos materiales que pueden conducir corriente eléctrica con resistencia cero, permitiendo así una transmisión completamente eficiente.
A pesar de su potencial, la mayoría de los superconductores conocidos actualmente requieren temperaturas extremadamente bajas para su excelente conductividad, lo que los hace poco prácticos para aplicaciones cotidianas en sistemas de energía o electrónica avanzada. Un equipo de Penn State, con el apoyo de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía, ha desarrollado un método computacional innovador para predecir qué materiales podrían exhibir superconductividad, especialmente a temperaturas diarias muy altas.
Históricamente, predecir la superconductividad (especialmente en materiales capaces de operar a altas temperaturas) ha sido una tarea desafiante. Las teorías tradicionales se han aplicado principalmente a superconductores de baja temperatura, comentó Ji-Kui Liu, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State. Liu enfatizó la necesidad de comprender completamente los mecanismos detrás de la superconductividad para aumentar las temperaturas de funcionamiento.
Durante décadas, los científicos se han basado en la teoría de Bardeen-Cooper-Schriefer (BCS) para explicar cómo se comportan los superconductores convencionales en condiciones de frío extremo. Esta teoría afirma que los electrones pueden atravesar materiales sin resistencia debido a interacciones con fonones o vibraciones de la red. Estas interacciones hacen que los electrones formen pares conocidos como pares de Cooper, lo que les permite sincronizarse y evitar colisiones con estructuras moleculares, minimizando así la pérdida de energía.
“Piense en ello como una superautopista para los electrones”, explica Liu, y añade que las barreras bajas permiten un viaje eficiente sin disipar energía. Esta propiedad hace que los superconductores sean muy valiosos. Si se pueden desarrollar materiales que sean superconductores a altas temperaturas y puedan transmitir electricidad de manera más eficiente, se podrían revolucionar los sistemas energéticos del mundo.
Para explorar este fenómeno, los investigadores de Penn State utilizaron herramientas computacionales como la teoría funcional de la densidad (DFT), que modela el comportamiento de los electrones en conductores y superconductores. Aunque la DFT no tiene en cuenta directamente los pares de Cooper, el equipo señala que la densidad electrónica prevista es similar a la de los electrones emparejados, lo que les permite estudiar el comportamiento superconductor.
Anteriormente, la teoría BCS y la DFT se consideraban entidades separadas. El equipo de Liu pudo unir estos dos marcos, estableciendo una nueva forma de predecir la superconductividad. Un elemento central de su progreso es la teoría de la gentropía, que combina la mecánica estadística, la física cuántica y el modelado computacional avanzado. Esta teoría vincula la estructura electrónica de un material con sus propiedades térmicas, arrojando luz sobre la transición de superconductor a no superconductor.
Aplicar esta teoría requiere comprender el comportamiento físico en el cero absoluto, donde el movimiento molecular se detiene por completo. El equipo de Liu ha demostrado que la DFT, a pesar de su intención inicial, puede proporcionar información sobre las condiciones bajo las cuales se produce la superconductividad.
La nueva metodología proporciona la capacidad de evaluar materiales candidatos a la superconductividad y predecir la temperatura a la que pierden esa propiedad superconductora. Aunque la teoría BCS es eficaz para los superconductores de baja temperatura, se desmorona con variantes de alta temperatura donde los pares de Cooper son menos estables. El grupo de Liu utilizó DFT para descubrir que en los superconductores de alta temperatura, las rutas de los electrones permanecen intactas debido a una estructura molecular única, lo que permite un movimiento suave de los electrones incluso en medio de una mayor actividad térmica.
A través de este enfoque integral, el equipo predijo con éxito el comportamiento superconductor tanto en materiales convencionales como en materiales de alta temperatura, algunos de los cuales (como el cobre, la plata y el oro) normalmente no están asociados con la superconductividad y que normalmente requieren temperaturas muy bajas para que el fenómeno se manifieste.
De cara al futuro, los investigadores de Penn State esperan ampliar su investigación en dos direcciones importantes: utilizar la teoría de la gentropía para examinar cómo el estrés afecta la temperatura superconductora y examinar una amplia base de datos de cinco millones de materiales para descubrir nuevos candidatos superconductores. Su objetivo es identificar buenos materiales para que los experimentadores contribuyan a verificar sus predicciones.
“No estamos interpretando el conocimiento existente”, señala Liu. “Estamos estableciendo un marco para un descubrimiento completamente nuevo”. Si este enfoque tiene éxito, podría conducir a la aparición de superconductores de alta temperatura adecuados para aplicaciones prácticas, que funcionen de manera eficiente incluso a temperatura ambiente. Estos avances podrían afectar profundamente la tecnología y los sistemas energéticos contemporáneos. Shun-Li Shang, profesor investigador de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State, es coinvestigador de este estudio innovador, que cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU.
