¿Hidrógeno superconductor?

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Hidrógeno

Los físicos se han preguntado desde hace tiempo si el hidrógeno, el elemento más abundante del universo, podría transformarse en un metal y posiblemente incluso en un superconductor — el esquivo estado en el cual los electrones puden fluir sin resistencia. Han especulado que, bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, el hidrógeno podría ser compactado en un metal y posiblemente incluso en un superconductor, pero demostrar esto experimentalmente ha sido difícil. Los investigadores de alta presión, incluyendo a Ho-kwang (Dave) Mao de Carnegie, han modelado ahora tres aleaciones de metal densas en hidrógeno y han encontrado que hay tendencias de presiones y temperaturas asociadas con el estado superconductor — un enorme impulso en la comprensión de cómo podría aprovecharse este abundante material. El estudio se publica en la edición on-line anticipada del 25 de enero de 2010 de la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Todos los materiales conocidos tienen que enfriarse por debajo de una temperatura muy baja, conocida como temperatura de transición, haciendo que sean poco prácticos para aplicaciones cotidianas. Los científicos han encontrado que además de la manipulación química para aumentar la temperatura de transición, también puede inducirse superconductividad mediante altas presiones. El modelado teórico es de gran ayuda para definir las características y presiones que pueden llevar a altas temperaturas de transición. En este estudio, los científicos modelaron las propiedades básicas a partir de sus principios fundamentales – el estudio del comportamiento a nivel atómico — de los tres hidruros metálicos bajo ciertos escenarios de composición, presión y temperatura específica. Los hidruros metálicos son compuestos en los que el metal se une a una abundancia de hidrógeno en una estructura de red. Los compuestos fueron el trihidruro de escandio (ScH3), trihidruro de itrio (YH3) y trihidruro de lantano (LaH3).

“Encontramos que la superconductividad aparecía a presiones entre aproximadamente 100 000 a 200 000 veces la presión a nivel del mar (10 a 20 GPa), que es un orden de magnitud menor que las presiones para compuestos relacionados que se unen con cuatro hidrógenos en lugar de tres”, señala Mao, del Laboratorio Geofísico de Carnegie. El trihidruro de lantano se estabilizó aproximadamente a 100 000 atmósferas y a una temperatura de transición de 20 Kelvin, mientras que los otros dos se estabilizaron sobre las 200 000 atmósferas y a temperaturas de 18 K y 40 K para ScH3 y YH3 respectivamente.

Los investigadores también encontraron que los dos compuestos, LaH3 y YH3, tenían distribuciones más similares de energía vibratoria entre sí que ScH3 en el umbral de superconducción y que la temperatura de transición era la mayor en el punto en el que tenía una transformación estructural en los tres. Este resultado sugiere que el estado superconductor procede de la interacción de electrones con la energía vibratoria a través de la red. A presiones mayores que 350 000 atmósferas (35 GPa) desaparecía la superconductividad y los tres compuestos se convertían en metales normales. En el trihidruro de itrio, el estado de superconductividad reaparecía a aproximadamente 500 000 atmósferas, pero no en los otros. Los científicos atribuyen este efecto a su diferente masa.

“El hecho de que los modelos predijeran tendencias distintivas en el comportamiento de estos tres compuestos relacionados a temperaturas y presiones similares es apasionante para el campo”, comentó Mao. “Anteriormente a este estudio, el foco había estado sobre los compuestos con cuatro hidrógenos. El hecho de que la superconductividad se induzca a presiones menores en los trihidruros los hace potencialmente materiales más prometedores con los que trabajar. Los rangos de temperatura y presión son fácilmente obtenibles en el laboratorio y esperamos ver una gran cantidad de experimentos para confirmar estos resultados”. El equipo de Carnegie se ha embarcado en su propio experimento sobre esta clase de trihidruros para comprobar estos modelos.

Los autores del artículo de investigación fueron Duck Young Kim, Ralph H. Scheicher, Ho-kwang Mao, Tae E. Kang, y Rajeev Ahuja. El trabajo estuvo patrocinado por EFree, un Centro de Investigación Avanzado de Energía patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.


Fecha Original: 25 de enero de 2010
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