Los materiales superconductores podrían desempeñar un papel crucial en las aplicaciones energéticamente eficientes del futuro. Sin embargo, varios desafíos técnicos aún obstaculizan su uso práctico. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia han desarrollado un nuevo diseño de materiales que aborda un obstáculo importante en este campo: permitir que la superconductividad opere a temperaturas más altas, al tiempo que resiste campos magnéticos fuertes. Este avance podría allanar el camino para una electrónica y tecnologías cuánticas mucho más eficientes energéticamente.
Actualmente, los dispositivos digitales, los centros de datos y las redes de tecnologías de la información y la comunicación (TIC) representan entre el 6 y el 12 por ciento del consumo mundial de electricidad. Existe una necesidad sustancial y creciente de una electrónica más eficiente energéticamente, y es aquí donde los materiales superconductores han surgido como una solución prometedora. A diferencia de la electrónica convencional, que pierde energía en forma de calor, los superconductores pueden conducir electricidad sin pérdida de energía. Por lo tanto, los superconductores tienen el potencial de hacer que las redes eléctricas, la electrónica y las tecnologías cuánticas sean cientos de veces más eficientes.
Sin embargo, el camino hacia las aplicaciones del mundo real aún está bloqueado por varios desafíos clave. Un obstáculo importante es que los estados superconductores a menudo requieren temperaturas extremadamente bajas, de hasta alrededor de menos 200 grados Celsius. Enfriar a tales temperaturas es complejo y requiere mucha energía. Otro desafío importante es que la superconductividad puede verse debilitada o destruida por campos magnéticos fuertes. Esta es una limitación crítica, ya que los campos magnéticos a menudo están presentes en dispositivos electrónicos avanzados y son esenciales para muchas tecnologías cuánticas. Para que la tecnología superconductora pase del laboratorio a un uso práctico, se necesitan materiales que puedan mantener la superconductividad a temperaturas más altas (idealmente cerca de la temperatura ambiente), al tiempo que siguen siendo resistentes en campos magnéticos fuertes.
Superconductividad robusta a través de un nuevo enfoque
En la búsqueda de estos superconductores robustos, los investigadores en este campo han intentado modificar la composición química de una amplia gama de materiales, con un éxito limitado. Ahora, los investigadores de Chalmers han probado una ruta diferente y han dado un paso importante hacia adelante.
“Al esculpir la superficie sobre la que descansa el superconductor, pudimos inducir la superconductividad a temperaturas significativamente más altas que las posibles anteriormente. También descubrimos que el material permaneció superconductor incluso cuando se expuso a campos magnéticos fuertes”, explica Floriana Lombardi, Profesora de Física de Dispositivos Cuánticos en Chalmers y autora principal de un estudio publicado en Nature Communications.
Un pequeño detalle marcó una gran diferencia
Los investigadores de Chalmers utilizaron un material a base de óxido de cobre perteneciente a la familia de los cupratos. Los cupratos son superconductores bien conocidos que pueden operar a temperaturas relativamente altas. Sin embargo, su estructura química es difícil de ajustar después de la fabricación.
El material superconductor en sí, utilizado en este estudio, tiene solo unos pocos nanómetros de espesor, menos de un millonésimo del grosor de un cabello. Para la electrónica práctica, estas películas ultrafinas deben depositarse sobre una base de soporte, conocida como sustrato, que proporciona la plantilla necesaria para el crecimiento. El avance llegó cuando el equipo de Chalmers introdujo ajustes a nanoescala en la superficie del sustrato.
“Debido a que los átomos en el sustrato están dispuestos en un patrón específico, pueden ‘guiar’ cómo se asientan los átomos en la capa superconductora. Al cambiar el diseño de la superficie del sustrato, pudimos influir en las propiedades superconductoras y garantizar que se conservaran, incluso a temperaturas más altas y cuando se aplicaron campos magnéticos fuertes”, explica Eric Walhberg, investigador de RISE Research Institutes of Sweden.
Cuando los investigadores pretrataron el sustrato en vacío y a alta temperatura, se formó un patrón de superficie regular que consistía en pequeñas crestas y valles. Este patrón creó una especie de paisaje electrónico en la región interfacial entre el sustrato y el material superconductor, uno que favorecía una superconductividad más fuerte.
“Pudimos ver cómo las propiedades de los electrones comenzaron a tener una dirección preferencial en esta región interfacial y se comportaron de una manera que estabilizó y fortaleció el estado superconductor”, dice Lombardi.
Un nuevo principio de diseño para futuros superconductores
Con este avance, los investigadores introducen un nuevo principio de diseño para desarrollar materiales superconductores que, en el futuro, podrían alcanzar funcionalidades a temperaturas mucho más altas, quizás incluso más cerca de la temperatura ambiente.
“En lugar de buscar materiales completamente nuevos o manipular las propiedades químicas de los existentes, ahora estamos mostrando cómo se puede mejorar la superconductividad esculpiendo el sustrato”, dice Lombardi.
Estos resultados abren la puerta a aplicaciones prácticas de superconductores en electrónica energéticamente eficiente, componentes cuánticos de próxima generación y tecnologías que requieren campos magnéticos fuertes.
“Esto demuestra que los cambios muy pequeños a nanoescala pueden tener efectos decisivos y pueden incluso desbloquear todo el potencial de la superconductividad en la electrónica futura”, dice Lombardi.
Más sobre el estudio
Boosting superconductivity in ultrathin YBa₂Cu₃O₇−δ films via nanofaceted substrates ha sido publicado en la revista científica Nature Communications. Los autores del estudio son Eric Wahlberg, Riccardo Arpaia, Debmalya Chakraborty, Alexei Kalaboukhov, David Vignolles, Cyril Proust, Annica M. Black-Schaffer, Thilo Bauch, Götz Seibold y Floriana Lombardi.
Los investigadores están afiliados a la Universidad Tecnológica de Chalmers, RISE Research Institutes of Sweden; Ca’ Foscari University of Venice, Italy; Birla Institute of Technology and Science—Pilani, K. K. Birla Goa Campus, India; Indian Institute of Science Education and Research (IISER), India; Uppsala University, Uppsala, Sweden; Université Grenoble Alpes, Université de Toulouse, INSA-T, France; y Institut für Physik, BTU Cottbus-Senftenberg, Germany.
Parte de este trabajo se llevó a cabo en Myfab Chalmers, una instalación de sala limpia.
El proyecto de investigación ha recibido apoyo de: The Swedish Research Council (VR), la Fundación Knut y Alice Wallenberg, la subvención EIC Pathfinder de la Unión Europea y la Deutsche Forschungsgemeinschaft.
Caption:
La imagen conceptual muestra cómo el patrón esculpido de pequeñas colinas y valles, más pequeños que un millonésimo del grosor de un cabello, en el sustrato (MgO, en la parte inferior) guía cómo se asientan los átomos en el material superconductor (YBCO, en la parte superior). En la interfaz entre las dos capas, un paisaje electrónico permite que la superconductividad ocurra a temperaturas más altas que las posibles anteriormente, incluso cuando se aplican campos magnéticos fuertes. Crédito: Chalmers University of Technology / Riccardo Arpaia
