Finalment, superconductivitat a temperatura ambient!

Feu clic a la imatge per engrandir-la. Un imant flota sobre un cuprat en fase superconductor banyat en nitrogen líquid. Els cuprats són superconductors amb alta temperatura crítica i actualment són els més superconductors a temperatures més altes, al voltant de 140 ºK. Són els únics materials que són superconductors a temperatures de nitrogen líquid. Es troben entre els superconductors no convencionals, ja que la seva existència no pot explicar-se amb la teoria estàndard de la superconductivitat. Crèdit: J. Adam Fenster, foto University of Rochester.

A alta pressió, l’hidrogen es torna metàl·lic. L’addició d’àtoms de sofre el pot transformar en un material superconductor. Ja ho sabíem, però el que és nou és que ara els investigadors han aconseguit obtenir aquest estat a gairebé la temperatura ambient; 15 °C, afegint-hi carboni. L’únic inconvenient d’aquest èxit sense precedents amb un superconductor, el sulfur d'hidrògen carbonat, es que s’ha de mantenir a una pressió de diversos milions d’atmosferes!.

Senzilla i amena explicació sobre la superconductivitat. Crèdit: Date un Voltio

Imagineu-vos un món on els diagnòstics mèdics inicials de càncer i ictus obtinguts amb ressonància magnètica siguin tan fàcils i generalitzats com els realitzats per ecografia o per raigs X convencionals. Imagineu-vos un món on el transport d’energia elèctrica no tingui pèrdues, cosa que ajudaria a fer una transició ecològica fluida, i on es pot arribar per exemple, a Pequín des de Kíev (a Ucraïna) en una hora gràcies als trens hipersònics en levitació magnètica que circulen en tubs de buit. Imagineu finalment un món on els tokamaks com Iter, també es faria més eficient gràcies als revolucionaris imants.

Un món així, en el qual una nova revolució en el camp de l’electrònica també podria haver-se concretat amb dispositius menys consumidors d’energia i més eficients, seria possible si descobríssim materials superconductors a temperatura i pressió ambientals, a més, fàcils i econòmics de fabricar, alhora que són mecànicament i químicament robusts.

"Vivim en una societat de semiconductors i, amb aquest tipus de tecnologia, podeu portar la societat a una societat superconductora on mai no necessiteu coses com les bateries" , va dir Ashkan Salamat de la Universitat de Nevada a Las Vegas, coautora amb Ranga Dias, Universitat de Rochester i d'altres col·legues, d'un article prometedor i rotund que acaba de publicar-se a la revista Nature.

Aquest vídeo explica simplement, amb imatges en moviment, què és el fenomen de
la superconductivitat i les propietats dels materials superconductors: absència de
resistència elèctrica, fenomen de levitació... Un vídeo coproduït amb L'Sprit Sorcerer.
Podeu triar l'idioma de la subtitulació a la configuració del vídeo. © CEA Recherche

Superconductivitat a temperatura ambient, la pista del sulfur d'hidrogen

De fet, els físics anuncien que han obtingut una fase superconductora en un compost simple basat en sulfur d’hidrogen H₂S que s’ha barrejat amb metà CH₄. Es bat el rècord de temperatura, ja que la temperatura crítica per sota de la qual s’obté aquesta fase, on l’electricitat pot circular sense resistència gràcies als efectes quàntics, només és de 15 °C.

Però no tot és de color de rosa, perquè les pressions necessàries per obtenir la superconductivitat són de l’ordre de 2,6 milions d’ atmosferes. De moment, per tant, només és una curiositat de laboratori. No obstant això, es pot pensar que és un estímul addicional per seguir la pista dels superconductors exòtics que permetria les revolucions tecnològiques de què es parlava anteriorment.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del video. Crèdit: University of Rochester

Aquesta gesta no és completament una sorpresa i, de fet, dóna esperances addicionals. Per entendre-ho, recordem primer que la superconductivitat es va descobrir fa més de 100 anys, el 8 d’abril de 1911. Va fascinar a molts físics, com Vitaly Ginzburg i Pierre-Gilles de Gennes, i va donar lloc a l'atribució de diversos premis Nobel com el de Lev Landau.

Resulta que el 1935, un altre premi Nobel de física d’origen hongarès, Eugene Wigner, tenia la seva famosa predicció de l’existència a altes pressions d’una fase metàl·lica d’ hidrogen, juntament amb el seu col·lega el físic nordamericà Hillard Bell Huntington. Des de finals de la dècada de 1960, un famós físic d'estat sòlid, el britànic Neil William Ashcroft, va arribar a la conclusió que l'hidrogen metàl·lic no només podia ser un superconductor, sinó que podia romandre en condicions de temperatura i pressió ambiental perquè és metaestable .

Recordem que el diamant és un exemple ben conegut del fenomen de la metastabilitat, ja que s’obté a partir de grafit que inicialment estava a altes pressions i altes temperatures, com les que existeixen a més de 150 quilòmetres dins de la Terra. Tot i això, roman com a diamant a la superfície terrestre fins i tot milers de milions d’anys després de la seva formació, tret que es torni a escalfar a altes temperatures.

Al 1935, el físic Eugene Wigner va predir que, portant l’hidrogen a pressions molt
altes, seria possible convertir-lo en metall. Han passat més de 80 anys i s’ha
complert el repte de l’hidrogen metàl·lic. Paul Loubeyre (CEA), Florent Occelli (CEA)
i Paul Dumas (Synchrotron Soleil) esperaven aconseguir-ho, com diversos altres
equips de tot el món. Un vídeo divulgatiu d'Olivier Boulanger de 2017 © universcience.tv

A la recerca d’un superconductor metastable a temperatura ambient

La recerca d’aquest sant grial d’hidrogen metàl·lic superconductor a temperatura ambient s’ha dut a terme des de fa temps i, a principis de 2020, s’havia assolit una fita significativa en aquesta carretera, tal com explicava Futura en un precedent. article sobre l’anunci de l’èxit d’un equip francès format per Paul Loubeyre i Florent Occelli, dos investigadors del CEA (Commissariat à l’Energie Atomique et aux Énergies Alternatives) i Paul Dumas, investigador emèrit del Institut de Química del CNRS, secundat al Sincrotró Soleil.

Els seus resultats, publicats també a la revista científica  Nature, es referien de fet a l'obtenció d'una fase metàl·lica d'hidrogen per primera vegada i d'una manera que sembla indiscutible per als tres investigadors. En la seva entrevista, Florent Occelli ens va explicar aleshores que, d’una banda, ell i els seus col·legues havien obtingut hidrogen molecular i encara no realment hidrogen metàl·lic, però que a més, no havien demostrat encara que era superconductor.

Quan li vam demanar que confirmés que hi havia compostos basats en l'hidrogen que són superconductors a altes pressions, el físic va respondre: "Sí, com el sulfur d'hidrogen (H₂S) i en particular hidrur de lantà (LaH₁₀), però aquests compostos no són metastables i, per tant, no continuen sent superconductors a pressió ambiental. Hi ha raons per creure que es necessita almenys un compost binari amb hidrogen, és a dir, hidrurs metàl·lics amb almenys dos tipus d’elements metàl·lics associats a àtoms d’hidrogen. Es tracta d’un camí de recerca que s’està explorant actualment, sobretot perquè els hidrurs ja obtinguts són superconductors a pressions inferiors a les de l’hidrogen metàl·lic i que avui són força fàcils de produir ”.

Els físics nord-americans van procedir, com en el cas dels seus col·legues francesos, a fer el seu descobriment, precisament amb un compost d’hidrogen binari que van comprimir mitjançant una premsa d’enclusa de diamant.

Ho he vist aquí.