Superconductividad: ¿cómo son los nuevos superconductores de elevada temperatura crítica?

Los superconductores son materiales que transportan corriente eléctrica sin resistencia a bajas temperaturas. Descubierta en 1911, la superconductividad es uno de los efectos de la física del estado sólido con más eco en los Premios Nobel de Física: H.K Onnes (1913), descubridor de este fenómeno extraordinario; J.Bardeen, L.Cooper y R. Schrieffer (1972), por la Teoría BCS de la Superconductividad, que explica cómo se forman las parejas de electrones (pares de Cooper) y transportan la corriente eléctrica sin ninguna resistencia; J.C. Bednorz y K.A. Müller (1987), por la superconductividad en materiales (óxidos de cobre o cupratos) a temperaturas superiores a 35 K (-238 ºC) y más allá del punto de ebullición del nitrógeno líquido (-196 ºC).

«Ninguna teoría puede explicar bien la superconductividad a altas temperaturas, aunque parece estar fuertemente relacionada con las propiedades magnéticas de los materiales» explica Francesc Illas, que es también director del Instituto de Química Teórica y Computacional de la UB (IQTCUB).

En el 2008, con el descubrimiento de una nueva familia de superconductores a alta temperatura crítica basados en hierro y arsénico (AsFe), llega la segunda gran revolución en el universo de la superconductividad. Los nuevos compuestos, sin cobre (Cu) y con oxígeno (O), flúor (F) o arsénico (As), amplían las perspectivas de los científicos para resolver incógnitas abiertas en el mundo de la física del estado sólido.

Pero, ¿realmente son tan diferentes las dos familias de superconductores a alta temperatura? Para Francesc Illas, «la principal idea de nuestro trabajo es destacar que estos materiales no son tan diferentes de los cupratos como se pensaba. Ésta es una conclusión clave para unificar la visión sobre las dos familias de materiales superconductores».

Según el nuevo estudio, la estructura electrónica es similar en las dos familias de materiales superconductores: en concreto, el artículo destaca que los compuestos de Fe y As son antiferromagnéticos y muestran una gran frustración de espín, es decir, unas fuertes interacciones magnéticas que dificultan la interpretación de los experimentos.

Otra innovación a destacar en el artículo es el uso de técnicas sofisticadas de estudio de la estructura electrónica. Técnicas, como por ejemplo, los funcionales híbridos. «En los cupratos -explica Illas- las metodologías más empleadas son las estándares LDA (Local Density Approximation) y GGA (Generalized Gradient Approximation), que predicen que estos sistemas tendrían que tener un fuerte carácter metálico. Ahora bien, en estudios experimentales y en compuestos sin dopaje -impurezas que facilitan la superconductividad- se ha visto que los cupratos son aislantes y antiferromagnéticos, pero no metálicos». Es decir, sería preciso abordar el estudio de estos sistemas con métodos más esmerados que los clásicos LDA y GGA para obtener una descripción satisfactoria de la estructura electrónica y sus propiedades.

Según los expertos, si se estudia la estructura electrónica de los nuevos compuestos con Fe y As con LDA y GGA, se vuelven a detectar resultados erróneos, tal como ya se había demostrado en los cupratos. «Estos técnicas -apunta a Illas- no son adecuadas para describir bien los sistemas fuertemente correlacionados (cupratos, nuevas familias de superconductores, etc.), y esas limitaciones están bien descritas en la literatura científica». Es preciso utilizar, por lo tanto, aproximaciones más elaboradas para describir correctamente la estructura electrónica y las propiedades de estos materiales magnéticos.

El descubrimiento de la superconductividad es uno de los capítulos más sorprendentes de la ciencia moderna. En el universo de la física, es un gran enorme en el mundo de las tecnologías futuras y los nuevos compuestos. Para los expertos, el gran sueño es establecer un modelo teórico satisfactorio sobre la estructura electrónica para conocer el mecanismo de formación de la fase superconductora y proponer la síntesis de superconductores a temperatura ambiente. Y parece ser que el objetivo no es imposible. Pero de momento, la formulación más realista es conocer mejor las propiedades de compuestos superconductores en rangos de temperaturas cada vez más altas, acotando los diferentes aspectos de la estructura electrónica de esos materiales, un área de la investigación en el que el grupo coordinado por Frances Illas es uno de los líderes a nivel nacional.