Superconductividd mejorada, con vórtices cuánticos

En un artículo publicado en la revista Nature Communications, investigadores de España, Estados Unidos y Rusia han logrado –a través de la inmovilización de vórtices cuánticos– mejorar la capacidad de transporte de corriente eléctrica en materiales superconductores.

Los superconductores son compuestos que pueden aproximarse a la ‘resistencia cero’, es decir, que tienen la capacidad de transportar corriente eléctrica sin pérdidas de energía. Pero esta es una capacidad que solo pueden alcanzar cuando se encuentran por debajo de ciertos valores críticos de temperatura y campo magnético.

Hasta ahora, para aproximarse a la resistencia cero y convertirse en superconductores, los materiales deben enfriarse muy por debajo de la temperatura crítica, ya que cerca de ésta sus propiedades se degradan notablemente.

La cuestión es que este enfriamiento es un procedimiento costoso, por lo que, durante las últimas décadas, científicos de todo el mundo han buscado el modo de alcanzar la mayor aproximación posible a la resistencia cero a una temperatura lo más cercana posible a los valores críticos.

El equipo de científicos ha logrado precisamente desarrollar un método que permite aumentar –hasta cerca de los valores críticos– el rango de transporte de corriente sin pérdidas.

El trabajo lo firman investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales Nicolás Cabrera de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), del Instituto de Nanociencia de Aragón y de la Universidad de Zaragoza, junto a científicos rusos y estadounidenses.

El estudio proporciona nuevas ideas para encontrar métodos de fabricación de compuestos superconductores que harán posible, entre otras cosas, un transporte más accesible y económico de la corriente eléctrica. Los autores, de hecho, se plantean ayudar a desarrollar el potencial tecnológico de los superconductores, potencial que pasa por la reducción del calentamiento en circuitos electrónicos.

Geometrías que inmovilizan ‘tornados cuánticos’

La mejora de la capacidad de conducción de corriente en materiales superconductores fue lograda a través de la inmovilización de vórtices. Estos son diminutos tornados cuánticos formados por parejas de electrones que, inducidos por el campo magnético, circulan alrededor de un núcleo nanométrico. La aparición de resistencia eléctrica está asociada al movimiento de estos vórtices, por lo que su inmovilización repercute en la mejora de la superconductividad.

Para lograr la inmovilización de los vórtices, los investigadores “labraron” distintos patrones geométricos en compuestos superconductores utilizando técnicas de nanofabricación muy avanzadas. De este modo lograron encontrar geometrías particularmente eficaces para impedir el movimiento de vórtices justo en el momento en que este movimiento es más dañino para la superconductividad –cerca de los valores críticos–.

El trabajo abre así una nueva vía de investigación dentro del campo de la nanociencia: inmovilizar vórtices a través de nano-patrones geométricos. Y con ello trae a la luz nuevos conceptos, como la idea de «vórtices auto-confinados», o la de «pozos» excavados por los propios vórtices, en los que estos pierden su capacidad de movimiento.

“Las barreras al movimiento de los vórtices crecen conforme están mas juntos. Es un método eficaz para inmovilizar vórtices, aún cuando aumenta la temperatura dentro de un cierto rango”, explica Hermann Suderow, director del Instituto de Ciencia de Materiales Nicolás Cabrera y coautor del estudio.

“El resultado es muy sorprendente: la resistencia eléctrica de los superconductores estudiados cae bruscamente al incrementar la temperatura o el campo magnético, justo cuando se esperaría que la superconductividad despareciera”, concluye el investigador.

Referencia:

R. Córdoba, T. I. Baturina, J. Sesé, A. Yu Mironov, J. M. De Teresa, M. R. Ibarra, D. A. Nasimov, A. K. Gutakovskii, A. V. Latyshev, I. Guillamón, H. Suderow, S. Vieira, M. R. Baklanov, J. J. Palacios & V. M. Vinokur. Magnetic field-induced dissipation-free state in superconducting nanostructures. Nature Communications 4:1437, 2013. Doi:10.1038/ncomms2437.