Pregúntale a Ethan: ¿Es LK?

Nuestras vidas, en la era moderna, están dominadas por las tecnologías de la electrónica y la energía eléctrica. Nuestra necesidad mundial de grandes cantidades de energía continua subraya la necesidad de una mayor eficiencia en todos los ámbitos: desde la generación de energía hasta la transmisión y el consumo. En cada paso de ese proceso, la pérdida de energía es un problema, ya que el acto mismo de empujar electrones a través de un cable portador de corriente es una propuesta de pérdida de energía, debido al fenómeno eléctrico de la resistencia. Sólo hay una circunstancia física en la que la corriente se puede transmitir sin resistencia: cuando el material es superconductor. Hoy en día, los superconductores tienen una amplia variedad de aplicaciones, desde máquinas de resonancia magnética hasta aceleradores de partículas, dispositivos de fusión magnética y muchas, muchas otras.

Sin embargo, en la actualidad los únicos materiales conocidos que son superconductores lo hacen en condiciones extremas: temperaturas muy bajas. El “santo grial” de la investigación superconductora es encontrar un material que sea superconductor en condiciones normales: a temperatura y presión ambiente. Si pudiéramos descubrir uno e implementarlo a gran escala, podríamos eliminar todos los problemas de pérdida de energía y calor perdido: problemas con los que todo consumidor y fabricante de dispositivos debe tener en cuenta actualmente. A finales de julio de 2023, se publicó una afirmación de que un nuevo material, conocido como LK-99, es, de hecho, ese superconductor a temperatura ambiente tan buscado. ¿Pero es real? Muchos de ustedes me han escrito al respecto, incluidos Rob Chapman-Smith y Clint Sears, quienes me han preguntado:

“¿Dónde estamos ahora en términos de cómo se ve porque ha sido una montaña rusa en tiempo real de esperanza y fracaso… [C]ientíficamente hablando, cómo se replicaría esto, cómo sabríamos que la replicación es correcta? ¿Cómo sabríamos que es incorrecto?

Siempre que se hace una afirmación que, de ser cierta, cambiaría el mundo, es vital comprender no sólo lo que sabemos en la actualidad, sino también lo que necesitaremos saber para determinar con precisión qué es cierto y qué no. ¡Sumerjámonos en la ciencia y descubramos!

¿Qué es un superconductor?

Cada material, cuando intentas hacer pasar una corriente eléctrica a través de él (es decir, cuando intentas hacer que los electrones se muevan dentro de él), exhibe algún tipo de resistencia. Esto se debe a que cada material, naturalmente, tiene una propiedad conocida como resistividad: donde la resistividad de su material multiplicada por su longitud y dividida por su área de sección transversal es igual a lo que convencionalmente llamamos resistencia. (Para aquellos de ustedes que aprendieron la ley de Ohm, V = IR, V es el voltaje, I es la corriente y R es la resistencia). Si construye un cable más corto y más grueso, la resistencia disminuye; Si construyes un cable más largo y delgado, la resistencia aumenta.

Pero la resistividad, en la mayoría de las circunstancias, no es una propiedad absoluta de ningún material de este tipo, sino que depende de la temperatura de ese material. A temperaturas más altas, las moléculas, los átomos e incluso las partículas subatómicas dentro de los átomos se mueven más rápidamente, y la resistividad aumenta a medida que aumenta la temperatura. Sin embargo, lo contrario también es cierto: a temperaturas más bajas, las partículas internas que contiene se mueven más lentamente, tienen menos energía por partícula e interactúan menos en general, y la resistividad cae.

Para la mayoría de los materiales, ese es el final de la historia: necesitaría alcanzar el cero absoluto (un estado físicamente inalcanzable) para obtener una resistividad cero y, por lo tanto, una resistencia cero independientemente de las otras propiedades del material. Pero para algunos materiales, existe un umbral crítico al cual se puede enfriar o por debajo, y cuando se alcanza ese umbral, la resistividad y la resistencia caen en picado a cero. Esos materiales son superconductores, y ese estado de resistividad y resistencia cero es un estado superconductor.

Desde un punto de vista físico, ¿qué hace especial a un superconductor?

En lugar de profundizar en lo que se puede lograr y crear cuando se tiene un superconductor (ya que la mayoría de esas posibilidades aún no se han descubierto), prefiero ayudarle a comprender qué permite que un material sea superconductor desde una perspectiva física. En circunstancias normales, incluso dentro de un conductor, el simple hecho de que las cargas eléctricas se muevan a través de él evita que un material alcance un estado superconductor.

Piensa por qué debe ser así. Si tienes una carga eléctrica en movimiento, aunque sea solo una de ellas, se creará un campo magnético a su alrededor: esa es una de las reglas fundamentales del electromagnetismo. Las corrientes eléctricas crean campos magnéticos, y si el campo magnético dentro de su conductor cambia, ese campo magnético cambiante afectará el movimiento de cualquier carga en movimiento dentro de él: un fenómeno que siempre resiste el movimiento de la carga eléctrica.

En otras palabras, existe un requisito de “conductividad perfecta” que generalmente no se aprecia: el campo magnético dentro de su conductor no puede cambiar. Si todo lo que tuviéramos fuera el electromagnetismo clásico (es decir, el de Maxwell), la conductividad perfecta sería una imposibilidad física, porque una corriente, por definición, simplemente se genera mediante cargas eléctricas en movimiento. Sin embargo, existe un efecto inherentemente cuántico, el efecto Meissner, que puede surgir en ciertos materiales: donde todos los campos magnéticos dentro de un conductor son expulsados. Esto hace que el campo magnético dentro de su conductor sea cero para cualquier corriente que fluya a través de él. Si expulsa sus campos magnéticos, su conductor puede comenzar a comportarse como un superconductor, con resistencia eléctrica cero.

¿Cuánto tiempo hace que sabemos sobre la superconductividad?

Lo creas o no, la superconductividad se descubrió experimentalmente mucho antes de que tuviéramos la teoría cuántica que pudiera describirla y explicarla. Su descubrimiento se remonta a 1911, cuando el helio líquido se utilizó por primera vez como refrigerante. La científica Heike Onnes utilizó helio líquido para enfriar el elemento mercurio hasta su fase sólida y luego estudió las propiedades de su resistencia eléctrica. Tal como se esperaba, para todos los conductores, la resistencia disminuyó gradualmente a medida que bajó la temperatura, pero solo hasta cierto punto. De repente, a una temperatura de 4,2 K, la resistencia del mercurio sólido desapareció por completo.

Además, tras un examen minucioso, Onnes descubrió que no había ningún campo magnético presente dentro del mercurio sólido una vez que se cruzaba por debajo de ese umbral de temperatura. Más tarde, se demostró que varios otros materiales exhibían este fenómeno de superconductividad, y todos se convertían en superconductores a sus propias temperaturas únicas:

y muchos otros elementos y compuestos posteriormente. Los acompañaron avances teóricos que ayudaron a los físicos a comprender los mecanismos cuánticos que hacen que los materiales se vuelvan superconductores. Sin embargo, resulta que no todos los superconductores se comportan exactamente de la misma manera.

¿Qué hace que un material sea superconductor a temperaturas más altas?

Resulta que hay dos tipos fundamentales de superconductores, denominados creativamente superconductores tipo I y tipo II. En un superconductor de tipo I, la transición al estado superconductor ocurre inmediatamente y de una vez: el 100% del campo magnético interno es expulsado y el 100% del material cae a una resistencia eléctrica cero. Pero en un superconductor de tipo II, el material no es uniforme y se forman vórtices de campo magnético dentro del material cuando se aplica un campo magnético externo, particularmente a intensidades de campo más altas. Los campos magnéticos son expulsados ​​en la región externa a cada vórtice individual, pero las líneas del campo magnético quedan "fijadas" dentro del material dentro de cada vórtice magnético.

Mientras que la superconductividad de tipo I normalmente la exhiben sólo los metales puros (con las únicas excepciones conocidas que son el siliciuro de tantalio y el carburo de silicio dopado con boro), la superconductividad de tipo II puede ocurrir en una amplia variedad de aleaciones. Dada la gran cantidad de elementos en la tabla periódica, la insondable cantidad de formas de combinar esos elementos y unirlos, y las enormes posibilidades que existen para dopar el material (es decir, reemplazar selectivamente algunos de los elementos con otros) permite algunos superconductores de tipo II lo hacen a temperaturas muy superiores a las que un superconductor de tipo I normalmente vuelve a ser un conductor normal. Aunque los superconductores de tipo II se descubrieron experimentalmente allá por 1935, no fue hasta la década de 1980 que se revelaron los primeros superconductores de temperatura (relativamente) alta.

¿Qué temperatura han alcanzado los superconductores más extremos, manteniendo al mismo tiempo su estado superconductor?

Comenzó con una clase simple de materiales: los óxidos de cobre. A mediados de la década de 1980, los experimentos con óxidos de cobre con los elementos lantano y bario rompieron el récord de temperatura de larga data en varios grados, y se descubrió que eran superconductores a temperaturas superiores a 30 K. Ese récord se batió rápidamente al usar estroncio en lugar de bario, y luego fue roto una vez más, por un margen significativo, por un nuevo material: itrio-bario-cobre-óxido.

Esto no fue sólo un avance estándar, sino más bien un gran salto: en lugar de superconducir a temperaturas inferiores a ~40 K, lo que significaba que se necesitaba hidrógeno líquido o helio líquido, el óxido de itrio-bario-cobre se convirtió en el primer material descubierto para superconductor a temperaturas superiores a 77 K (superconduce a 92 K), lo que significa que podría utilizar nitrógeno líquido, mucho más económico, para enfriar su dispositivo a temperaturas superconductoras.

Este descubrimiento condujo a una explosión de investigación sobre superconductividad, donde se introdujeron y exploraron una variedad de materiales, y no solo se aplicaron temperaturas extremas sino también presiones extremas a estos sistemas. Sin embargo, después de un pico a mediados de la década de 1990, no se encontraron superconductores de mayor temperatura hasta 2015, cuando un equipo en Alemania anunció que, sorprendentemente, el viejo sulfuro de hidrógeno (H2S, que es como una molécula de agua pero con azufre sustituido por oxígeno) ), cuando se coloca bajo la tremenda presión de más de 1.500.000 atmósferas terrestres normales, superconducido a una enorme temperatura de 203 K.

¿Cuáles son nuestras perspectivas para lograr el “santo grial” de un superconductor a temperatura ambiente y presión ambiente?

Desde ese avance de 2015, ha habido altibajos en la investigación de la superconductividad. Se ha demostrado que una clase de materiales conocidos como hidruros y superhidruros de lantano se superconducen a presiones muy altas, entre 250 y 260 K, lo que significa que podrías arrojarlos en un congelador convencional o llevarlos a Alaska en invierno (a altas presiones) y observarlos. al superconductor. Lo destacable de estos materiales es que el trabajo teórico es lo que motiva el interés por ellos, y estos nuevos registros de temperatura de superconductividad surgieron como resultado de la investigación experimental de estas predicciones teóricas.

Al observar cómo los átomos que componen el material se agrupan en una red y luego calcular cómo se comporta la estructura de bandas de electrones dentro del material, se pudo observar un comportamiento potencialmente interesante que podría significar "sí, esto se comporta como un superconductor de tipo II a altas temperaturas". sugirió.

Pero no todo es fácil. Si bien la estructura de la banda de electrones es algo que se puede calcular y predecir, si es superconductor o no, y bajo qué condiciones de temperatura exactas, es algo que sólo se puede medir y confirmar experimentalmente. Además, muchas afirmaciones adyacentes de superconductividad, en particular realizadas por Ranga Dias de la Universidad de Rochester, han sido retractadas y/o desacreditadas, a medida que han surgido pruebas crecientes de fraude, plagio, irreproducibilidad y engaño en los últimos años.

Entonces, ¿qué es LK-99, por qué es interesante, es superconductor y puede ser superconductor a temperatura y presión ambiente?

En la década de 1990, el profesor de la Universidad de Corea, Tong-Shik Choi, estaba investigando la superconductividad desde una perspectiva teórica y ideó un nuevo enfoque para calcular los niveles de las bandas de electrones en materiales que sugería que un nuevo conjunto de materiales podrían ser buenos candidatos para superconductores de alta temperatura. . Dos de los estudiantes de Choi en ese momento eran Sukbae Lee y Ji-Hoon Kim, quienes eventualmente ampliarían el trabajo de Choi para sugerir que tomando un material compuesto conocido como plomo-apatita (una mezcla de átomos de plomo, fósforo y oxígeno) y dopándolo con cobre (reemplazando una fracción de los iones de plomo dentro de la estructura de apatita con cobre), resultaría un material con una interesante estructura de bandas de electrones.

Lee y Kim se dedicaron a la industria: Lee fundó una empresa conocida como Qcenter y Kim trabajó para una empresa de materiales para baterías antes de unirse a Lee en Qcenter. En 2017, Choi murió, expresando su deseo de que sus estudiantes encontraran el superconductor de alta temperatura que su teoría predijo que podría existir. La apatita de plomo dopada con cobre es lo que ahora llaman LK-99. Publicaron dos artículos, uno de tres autores y otro de seis autores, afirmando que es superconductor y exhibe el famoso fenómeno de la levitación cuántica.

Y, como siempre ocurre cuando alguien propone algo que, de ser cierto, realmente cambiaría el mundo, ha sido recibido con gran fanfarria, lo que refleja nuestras esperanzas de que queremos que esta tecnología sea real y la ciencia sea sólida, pero también nuestros grandes temores de que pueda ser simplemente otra entrada en una larga lista de resultados preliminares, potencialmente descuidados, que no resistirán un escrutinio escrupuloso y los intentos de reproducción.

Debido a que el material que utilizan, apatita de plomo dopada con cobre, es relativamente sencillo de crear, junto con el novedoso enfoque teórico subyacente al material, muchos equipos se han apresurado a replicar estos hallazgos. La naturaleza de código abierto de arxiv, el servidor de preimpresión donde se cargan los artículos, ha significado que todo esté disponible públicamente de inmediato, sin la necesidad de esperar la revisión por pares. La página de Wikipedia para LK-99 ha estado rastreando (y continuará rastreando) los esfuerzos de replicación, y ya han surgido una serie de resultados muy interesantes.

Desde una perspectiva teórica, las bandas de electrones predichas realmente deberían estar ahí; esta afirmación resiste el escrutinio.

Sin embargo, experimentalmente, la creación de estas muestras parece no producir ninguna superconductividad, y múltiples estudios no lograron replicar lo que Lee y Kim afirmaron que vieron.

También han salido a la luz algunos de los problemas con los estudios de Lee y Kim:

Tenemos un dicho que dice que las afirmaciones extraordinarias requieren evidencia extraordinaria, y parece cada vez más que el trabajo que Lee y Kim han realizado ha sido sólido desde un punto de vista teórico, pero descuidado desde el único punto de vista que realmente importa: el experimental. uno. Según lo que hemos visto hasta ahora, esto no parece ser un caso de fraude como en el caso de Ranga Dias, sino más bien un caso de ilusiones y datos insuficientes que nos superan. Otros científicos también han compartido sus opiniones sobre esta investigación, y son igualmente escépticos: simplemente no existe evidencia de que este material sea superconductor, y mucho menos a temperatura ambiente. En cambio, es más parecido a la investigación de la fusión fría: donde si haces algunas suposiciones falsas, el fenómeno debería ocurrir, pero las predicciones "interesantes" que estás haciendo en realidad no corresponden a lo que esperas que la naturaleza confirme.

Con más intentos de replicación en marcha, pronto descubriremos si el material LK-99:

En ciencia, puedes teorizar y calcular todo lo que quieras, pero al final, son los experimentos los que determinan qué es real y qué no. Una única réplica positiva y sólida será todo lo que se necesita para marcar el comienzo de una nueva era de la ciencia de los materiales y podría literalmente cambiar el mundo, pero hasta que llegue esa confirmación, esta es una afirmación extraordinaria que puede haber capturado nuestra imaginación colectiva, pero no lo ha hecho. Todavía no cumple con los estándares necesarios de “evidencia extraordinaria” para que cualquier científico responsable la acepte.

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