DEL 8 AL 13 DE SEPTIEMBRE

El sueño de la superconductividad a temperatura ambiente protagoniza la XXVI Escuela Internacional de Verano ‘Nicolás Cabrera’

Entender la superconductividad en todas sus manifestaciones es un objetivo prioritario desde hace décadas. Si se supiera por qué algunos materiales, bajo ciertas condiciones, dejan de oponer resistencia a la corriente, estaría más cerca el sueño de un tendido eléctrico mucho más eficaz y respetuoso con el medio ambiente. Además, los materiales superconductores son una valiosa materia prima para la tecnología cuántica ahora en auge. La XXVI Escuela Internacional de Verano Nicolás Cabrera congrega a especialistas en todo el mundo en la llamada “superconductividad a altas temperaturas”, un fenómeno que decenas de laboratorios en todo el mundo pugnan por controlar. La Escuela, que cuenta con la colaboración de la Fundación BBVA, se celebra en la residencia La Cristalera, en Miraflores de la Sierra, del 8 al 13 de septiembre.

6 septiembre, 2019

Esta edición se titula Driving the road towards room temperature superconductivity with electronic interactions [El camino hacia la superconductividad a temperatura ambiente con interacciones electrónicas] y congrega a unos 70 participantes de una quincena de países.

“El objetivo de la Escuela es presentar el estado del arte en superconductividad de altas temperaturas a través de los principales actores en el área”, explican los organizadores. “Expertos de talla mundial repasarán el estado de la investigación y se concentrarán en los más recientes avances, tanto teóricos como experimentales”.

Esta edición de la Escuela está organizada por Isabel Guillamón, investigadora Ramón y Cajal en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) que tras recibir una Beca Leonardo de la Fundación BBVA obtuvo una de las prestigiosas ‘Starting Grant’ del Consejo Europeo de Investigación; Elena Bascones, Científica Titular del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC); y Hermann Suderow, director del Instituto Nicolas Cabrera desde 2012.

Electrones que viajan mejor por pares

No pasa una semana sin que las principales revistas científicas publiquen un hallazgo relevante en superconductividad de altas temperaturas, lo que da idea de la gran actividad del área. Seguir estos avances exige visitar el mundo cuántico y entender el extraño comportamiento de los electrones.

El fenómeno de la superconductividad se descubrió en 1911 de manera casual. Muy pronto su descubridor, el holandés Heike Kamerlingh-Onnes, pensó en su utilidad para transmitir electricidad sin pérdidas. El principal obstáculo estaba en que la superconductividad solo aparecía al enfriarse los materiales hasta pocos grados por encima del cero absoluto de temperatura, -273ºC.

El primer gran hallazgo teórico fue la explicación de por qué aparece la superconductividad. En 1957, tres investigadores concluyeron que cuando algunos materiales se enfrían hasta casi el cero absoluto, sus electrones forman pares y eso les hace fluir sin que ningún obstáculo les frene.

La intensa búsqueda de materiales superconductores a temperaturas más altas produjo, a finales de los años 80, los superconductores llamados de altas temperaturas. Ciertos materiales cerámicos con cupratos (compuestos de óxidos de cobre) se volvían superconductores a solo -180ºC. Seguían siendo temperaturas muy bajas, pero mucho más manejables porque ya era posible alcanzarlas con nitrógeno líquido en lugar de con el mucho más costoso helio líquido.

En 2008 se produjo un nuevo hito, con el hallazgo de más materiales superconductores a altas temperaturas basados en hierro. La carrera hacia la superconductividad de alta temperatura aceleró de nuevo. La temperatura récord actual a la que un material se vuelve superconductor sigue estando lejos de lo que se considera temperatura ambiente, pero tampoco hay nada en la teoría que impida que el sueño de tener superconductividad a 20ºC pueda alcanzarse.

Una búsqueda a ciegas

Sin embargo, sigue siendo una búsqueda a ciegas, porque el fenómeno no se entiende. En la superconductividad a altas temperaturas los pares de electrones se siguen formando, pero no se sabe por qué. “La superconductividad de altas temperaturas, la de mayor aplicabilidad, sigue sin entenderse”, explican los organizadores de la Escuela.

“Los investigadores se plantearon el desafío de encontrar superconductores a temperaturas críticas realmente altas a finales de los ochenta, con el descubrimiento de la superconductividad en los cupratos. Después de tres décadas de investigación su visión se enfoca de nuevo, gracias al hallazgo de los compuestos superconductores basados en hierro”, prosiguen.

Mientras tanto la superconductividad sí ha tenido aplicaciones, y algunas han propiciado avances cruciales en ciencia y medicina. Los imanes de los aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, donde se detectó el bosón de Higgs, son superconductores; también se usan en escáneres de resonancia magnética (RMN), generadores, en dispositivos de telecomunicaciones y en trenes de levitación magnética. Además, existen ya tendidos eléctricos superconductores considerados de demostración. El primero se instaló en 2008 en Long Island, New York, y da servicio a 300.000 hogares.

Las aplicaciones, no obstante, podrían multiplicarse si se entendiera el fenómeno. Para empezar, la electricidad no se perdería en su viaje por la red, porque “se podrían sustituir las torres de alta tensión por conductos subterráneos en los que las pérdidas se anulan completamente, eliminando su impacto ambiental y mejorando la eficacia de la distribución”, explican los organizadores.
Además, los materiales superconductores son considerados clave para el desarrollo de la computación cuántica, pero a la vez su baja temperatura es un factor limitante –un motivo más para buscar materiales superconductores a mayor temperatura–.

Expertos de talla mundial

Entre los asistentes a la Escuela destacan el físico irlandés Seamus Davis, catedrático de la Universidad de Cornell (EEUU), de la University College Cork (Irlanda), y la Universidad de Oxford (Reino Unido), creador de una de las más poderosas técnicas para visualizar el comportamiento de electrones en materiales cuánticos. Davis es además coautor de algunos de los resultados recientes de mayor impacto en superconductividad.

Interviene también el español Pablo Jarillo-Herrero (Valencia, 1976), Cecil and Ida Green Professor of Physics del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), ganador en 2012 el premio más prestigioso del gobierno estadounidense para jóvenes investigadores, el Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers, dotado con un millón de dólares, que destinó a su investigación.

El pasado año Jarillo generó una tormenta en el área al descubrir que el grafeno puede ser superconductor, si se apilan dos láminas de este material y se rotan formando lo que se ha dado en llamar un ángulo mágico, específicamente de 1,1 grados. Este sistema formado por dos capas de grafeno -cada una de ellas de un único átomo de grosor- se convierte así en un superconductor. Aunque todavía no se pueda explicar por qué ocurre este fenómeno, existen fuertes indicios de que su estudio ayudará a comprender mucho mejor la superconductividad de alta temperatura.

Teresa Puig Molina, jefa del Departamento de Materiales Superconductores y nanoestructuras a gran escala en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), busca métodos para producir a gran escala materiales superconductores a alta temperatura que sean competitivos respecto a los conductores metálicos corrientes.

Su grupo ha recibido una ayuda de tipo Proof of Concept del Consejo Europeo de Investigación para desarrollar procesos industrial y económicamente viables para formar delgadísimas capas de material superconductor, sobre un soporte flexible.

Intervienen igualmente Francisco Guinea, profesor de investigación en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC, premio Nacional de Investigación en 2011 por su investigación de alto impacto internacional sobre todo en grafeno; y la física sueca Annica Black-Schaffer, de la Universidad de Uppsala, galardonada en numerosas ocasiones por su investigación en materiales superconductores y sus aplicaciones en computación cuántica.