Ciencia de materiales
Pequeños pasos hacia superconductores de alta temperatura a presión ambiente
Límites de la superconductividad
Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every “normal” electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.
Existe una alternativa: los llamados materiales superconductores. Los materiales superconductores tienen una resistencia eléctrica cero, lo que permite usar corrientes extremadamente potentes sin generar calor.
Sin superconductividad, muchas tecnologías modernas no serían posibles, incluidos los aceleradores de partículas (por ejemplo, el CERN), la resonancia magnética (MRI) y los trenes maglev.
La superconductividad será un componente crucial de los megaproyectos y la innovación tecnológica más prometedores, como ITER y la fusión nuclear, impulsores de masa, computadoras cuánticas, etc.
Las líneas eléctricas sin pérdidas también podrían ser cruciales para desarrollar conexiones de red ultra largas que ayuden a amortiguar la producción de energías renovables frente a condiciones climáticas y zonas horarias, resolviendo algunas de las limitaciones de la energía solar y eólica.
El problema hasta ahora es que todas estas aplicaciones se basan en la superconductividad a bajas temperaturas, donde los materiales son superconductores solo cuando se enfrían a temperaturas bajas como 20 K/-253 °C/-423 °F, generalmente requiriendo helio líquido.
Esto lo hace no solo demasiado complejo para cualquier aplicación que no sea extremadamente exigente (maglev, MRI, etc.), sino también muy costoso, lo que lo vuelve poco económico para muchas aplicaciones que podrían beneficiarse del material superconductor o de cualquier uso a gran escala.
Muchas rutas hacia la superconductividad
Otras formas de superconductividad distintas a los materiales ultra fríos requieren una presión muy alta constante para que el material permanezca superconductor. Esto puede ser interesante desde el punto de vista experimental, pero aún menos práctico para aplicaciones industriales o en infraestructuras de energía y transporte.
La superconductividad a alta temperatura podría convertirse en una opción, sobre todo con el caso desconcertante de LK-99 (una forma de apatita de plomo sustituida por cobre – CSLA), un nuevo tipo de superconductor a presión ambiente y temperatura ambiente. La afirmación fue inmediatamente contestada y criticada como un engaño o un error de medición, pero luego otros investigadores descubrieron que podría estar ocurriendo algo después de todo.
En cualquier caso, el caso de LK-99 ilustra que estamos lejos de conocer todo lo que hace posible la superconductividad.
Recientemente, la bicapa retorcida de WSe₂ (tungsteno selenio) también pareció ser un buen candidato material.
Investigadores de la Universidad de Houston, la Universidad de Buffalo, la Universidad de Illinois, la Universidad Nacional Sun Yet-Sen (Taiwán) y Intellectual Venture están ampliando el ámbito de posibles materiales superconductores, eliminando la necesidad de alta presión excepto durante la fabricación del material.
Publicaron sus resultados1 en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), bajo el título “Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3”.
Superconductividad y presión
La relación entre alta presión y superconductividad se ha estudiado durante más de 30 años, desde su descubrimiento inicial en 1993. Lo que ocurre es que la presión modifica el comportamiento atómico del material, lo que a su vez afecta sus propiedades eléctricas.
“En 2001, los científicos sospecharon que aplicar alta presión al BST cambiaba la topología de su superficie de Fermi, lo que conducía a un mejor rendimiento termoeléctrico.
Esa conexión entre presión, topología y superconductividad despertó nuestro interés.”
Prof. Liangzi Deng – Investigador en la Universidad de Houston
Prof. Deng (izquierda) y Prof. Chu (derecha) – Fuente: University of Houston
El problema es que, para que un material sea útil en aplicaciones industriales, suele necesitar mostrar propiedades interesantes cuando está en un estado metastable, de modo que pueda mantener esas propiedades en condiciones “normales”.
Hasta ahora, el requisito de una presión muy alta no solo ha obstaculizado el estudio de materiales superconductores en estas condiciones, sino que también ha hecho muy esquivas cualquier aplicación práctica futura, ya que no sería viable mantener un cable, imán o componente ferroviario bajo tales condiciones de presión extrema, mucho menos que el requisito de condiciones ultra frías para los superconductores actualmente utilizados.
Enfriamiento por alta presión
Mantener las propiedades de superconductividad a presión normal es lo que los investigadores acaban de lograr.
Para ello, utilizaron un material semiconductor especial llamado BST (Bismuto-Antimonio-Telurio / Bi0.5Sb1.5Te3). Bajo presiones de hasta ~50 GPa (Gigapascal), o 500 000 veces más fuerte que la presión atmosférica (1 bar), el BST muestra tres fases superconductoras (BST‑I, ‑II y ‑III), apareciendo la primera a 4 GPa.
Los investigadores desarrollaron un procedimiento llamado protocolo de enfriamiento por presión (PQP), que permite que la fase inducida por presión persista a presión ambiente.
No solo se preservó la fase superconductora BST‑I, sino también las fases BST‑II y ‑III.
Utilizaron un yunque de diamante para alcanzar la presión extrema requerida.
Fuente: University of Houston
Las propiedades eléctricas y magnéticas fueron analizadas usando un instrumento muy sensible llamado Sistema de Medición de Propiedades de Magnetización (MPMS).
Fuente: University of Houston
Mejorando la temperatura de funcionamiento
Al probarse, estas fases superconductoras no solo fueron inicialmente estables a presión ambiente, sino que también conservaron esos estados con el tiempo y al exponerse a temperaturas más altas.
Sin embargo, esto no significa que sea un superconductor a temperatura ambiente, solo que las fases son estables a presión normal y pueden mostrar superconductividad real cuando se enfrían.
Se sabe que el BST muestra superconductividad a 10,2 K (-262,9 °C / -441,3 °F). Los investigadores descubrieron que la despresurización y el protocolo de enfriamiento por presión mejoraron la temperatura de transición del BST, convirtiéndolo en una buena opción para mejorar los materiales superconductores existentes.
“Este experimento demuestra claramente que se puede estabilizar la fase inducida por alta presión a presión ambiente mediante una sutil transición electrónica sin un cambio de simetría, ofreciendo una vía novedosa para retener las fases materiales de interés y valores que normalmente existen solo bajo presión.
Prof. Paul Chu – Investigador en la Universidad de Houston
Aplicaciones futuras
Aunque no crea inmediatamente material superconductor, esto abre el camino a un nuevo método para descubrir y diseñar materiales superconductores.
Hasta ahora, la superconductividad a alta presión tenía muy pocas aplicaciones prácticas, y un superconductor a temperatura ambiente debía mostrar esta característica independientemente del efecto de la presión.
Si el protocolo de enfriamiento por presión puede generalizarse, esto podría ayudar a estabilizar en condiciones normales materiales superconductores prometedores, pero que hasta ahora solo funcionaban bajo alta presión.
“Curiosamente, este experimento reveló un enfoque novedoso para descubrir nuevos estados de la materia que no existen originalmente a presión ambiente ni siquiera bajo condiciones de alta presión.
Demuestra que el PQP es una herramienta poderosa para explorar y crear regiones inexploradas de los diagramas de fase de los materiales.
Prof. Liangzi Deng – Investigador en la Universidad de Houston
También podría mejorar los superconductores conocidos de modo que su temperatura de transición sea más alta.
Esto podría abrir el camino a estados sucesivos, haciendo posible crear un superconductor que pueda operar a “solo” 78 K (-195 °C / -319 °F), o el punto de ebullición del nitrógeno líquido, un refrigerante mucho más fácil de manejar que el helio líquido, que, por ejemplo, se usa actualmente en los imanes superconductores del ITER.
Empresa de superconductividad
American Superconductor Corporation
(AMSC )
AMSC es una empresa que ofrece soluciones energéticas para la red eléctrica, barcos y energía eólica. En general, cuanto más hambriento de energía o masivo sea un sistema, más necesita tecnología superconductora para evitar el sobrecalentamiento.
A pesar de su nombre, ASMC no solo proporciona sistemas superconductores sino también, por ejemplo, trenes de engranajes para turbinas eólicas.
La empresa está impulsada por múltiples factores de crecimiento, desde la tendencia de electrificación y digitalización (incluidos los centros de datos de IA), pero también la relocalización de capacidades de fabricación en EE. UU. y la necesidad de que las armadas del mundo anglosajón se modernicen en respuesta a los crecientes riesgos geopolíticos.
En el segmento de suministro eléctrico, AMSC ha experimentado un aumento constante en los pedidos. Esto fue impulsado por fábricas de semiconductores que buscan protegerse de las fluctuaciones de la red eléctrica, ayudar a la red a manejar la naturaleza intermitente de las renovables, y por el suministro eléctrico y controles en sitios industriales.
En el segmento de turbinas eólicas, AMSC está mayormente activo con el Sistema de Control Eléctrico (ECS). Históricamente, ESC fue un segmento fuerte para la empresa con turbinas eólicas de 2 MW, pero ha disminuido progresivamente. AMSC apunta a una recuperación gracias al nuevo diseño de turbina de 3 MW, con un enfoque especial en el mercado indio.
Fuente: American Superconductor Corporation
Para buques militares, ASMC ofrece el “Contramedida magnética de minas con superconductor de alta temperatura de AMSC”, un sistema para alterar la firma magnética de los barcos y protegerlos de minas marinas. Se vende a las armadas de EE. UU., Canadá y Reino Unido, con pedidos por un valor de 75 M USD hasta la fecha.
En general, ASMC está sobresaliendo al aprovechar la tecnología superconductor en aplicaciones de nicho viables hoy, mientras probablemente esté listo para desplegar avances adicionales en el futuro. También debe señalarse a los inversores que la acción ha experimentado una volatilidad extrema en el pasado, y que deben calcular los riesgos en consecuencia.
Referencia del estudio:
1.Deng, B. et al, (2025) Creation, stabilization, and investigation at ambient pressure of pressure-induced superconductivity in Bi0.5Sb1.5Te3. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122
