Cuando la electricidad viaja a través de cables, inevitablemente parte de la energía se pierde. Sin embargo, los investigadores de Penn State están explorando un nuevo enfoque para eliminar potencialmente esta pérdida de energía por completo mediante la identificación de materiales conocidos como superconductores. Los superconductores son sustancias únicas que pueden conducir corriente eléctrica sin resistencia, lo que permite una transmisión completamente eficiente.
A pesar de su potencial, la mayoría de los superconductores conocidos actualmente requieren temperaturas extremadamente bajas debido a su notable conductividad, lo que los hace poco prácticos para aplicaciones cotidianas en sistemas de energía o electrónica avanzada. El 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 materiales que podrían funcionar a temperaturas más altas y más mundanas.
Históricamente, predecir la superconductividad (especialmente en materiales que podrían funcionar a temperaturas más altas) ha sido una tarea desafiante. Las teorías tradicionales se han aplicado principalmente a superconductores de baja temperatura, como lo analiza Zi-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 como requisito previo para mejorar las temperaturas de funcionamiento.
Durante décadas, los científicos se han basado en la teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) para ilustrar cómo funcionan los superconductores convencionales en condiciones de frío extremo. Esta teoría afirma que los electrones pueden atravesar materiales sin resistencia debido a sus interacciones con fonones o vibraciones de la red. Estas interacciones permiten que los electrones formen pares conocidos como pares de Cooper, lo que les permite moverse sincrónicamente y evitar colisiones con estructuras atómicas, reduciendo así la pérdida de energía.
«Piense en ello como una superautopista para los electrones», explicó Liu, señalando que menos obstáculos permiten un viaje eficiente sin disipación de energía. Esta propiedad hace que los superconductores sean tan valiosos. Si se pueden desarrollar materiales que sigan siendo superconductores a temperaturas más altas, la electricidad podría transportarse más lejos y de manera más eficiente, revolucionando los sistemas energéticos globales.
Para investigar 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 versus superconductores. El equipo afirma que, aunque la DFT no tiene en cuenta directamente los pares de Cooper, la densidad electrónica prevista puede parecerse a la de los electrones emparejados, lo que facilita el estudio del comportamiento superconductor.
Anteriormente, la teoría BCS y la DFT se trataban como entidades separadas. El equipo de Liu logró unir estos dos marcos, creando una nueva vía para predecir la superconductividad. Un elemento central de su avance es un concepto llamado teoría de la zentropía, 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 estados superconductores a no superconductores.
Aplicar esta teoría requiere comprender el comportamiento del material en el cero absoluto, donde el movimiento atómico se detiene por completo. El equipo de Liu demostró que la DFT, a pesar de su intención original, puede proporcionar información sobre las condiciones bajo las cuales se produce la superconductividad.
La nueva metodología ofrece la capacidad de predecir materiales candidatos a la superconductividad y estimar la temperatura a la que pierden esa propiedad superconductora. Si bien la teoría BCS es eficaz para los superconductores de baja temperatura, falla en las 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 órbitas de los electrones permanecen intactas debido a una estructura atómica distintiva, lo que permite un movimiento suave de los electrones incluso con una mayor actividad térmica.
A través de este enfoque integral, el equipo ha predicho con éxito el comportamiento superconductor tanto en materiales tradicionales como en materiales de alta temperatura, incluidos algunos como el cobre, la plata y el oro (que normalmente no están asociados con la superconductividad) y que normalmente requieren temperaturas muy bajas para que el fenómeno se manifieste.
En el futuro, los investigadores de Penn State planean ampliar su investigación en dos direcciones principales: utilizar la teoría de la zentropía para investigar cómo la presión afecta la temperatura superconductora y buscar en una base de datos masiva de cinco millones de materiales para descubrir nuevos candidatos superconductores. Su objetivo es identificar materiales prometedores para colaborar con investigadores experimentales a fin de validar sus predicciones.
«No nos limitamos a contar el conocimiento existente», señaló Liu. «Creamos un marco para descubrir algo completamente nuevo». Si este enfoque tiene éxito, podría dar lugar a la aparición de superconductores de alta temperatura que sean adecuados para aplicaciones prácticas y que incluso puedan funcionar a temperatura ambiente. Estos avances pueden tener un profundo impacto en la tecnología y los sistemas energéticos actuales. Shun-Li Shang, profesor de investigación de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State, actúa como co-investigador de este estudio innovador, que cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU.
