Las bandas planas en los metales de Kagome podrían dar lugar a futuros superconductores

Nuevos avances en los superconductores de Kagome

Los superconductores son materiales que transportan electricidad sin resistencia, pero hasta ahora solo han funcionado en condiciones extremas. Los metales de Kagome podrían cambiar eso.
Esto tranquiliza a los lectores que quizás no sean expertos en física.

En noviembre de 2024, discutimos un nuevo material para nuevas teorías magnéticas, desarrollado por investigadores de la Universidad Rice.

Este descubrimiento fue construido a una publicación de 2022, en el que los investigadores descubrieron que “material de kagome”, un tipo de cristal metálico, exhibe Propiedades magnéticas sorprendentes.

Toma su nombre del patrón de tejido kagome utilizado en la artesanía tradicional japonesa, o mosaico trihexagonal, con triángulos superpuestos y grandes huecos hexagonales.

Fuente: Puerta de la investigación

De manera similar, los materiales kagome, como por ejemplo los cristales magnéticos de hierro-germanio, están organizados según este patrón a nivel atómico.

Otro metal kagome basado en cromo, CsCr₃Sb₅ (cesio-cromo-antimonio), parece tener un potencial enorme para futuros componentes electrónicos, incluidos superconductores, aislantes topológicos y electrónica basada en espín, según el último artículo de investigadores de la Universidad Rice, publicado en Nature Communications.¹, bajo el título "Excitaciones de espín y bandas electrónicas planas en un superconductor de Kagome basado en Cr.

Propiedades magnéticas y electrónicas de los materiales de Kagome

Ya en 2022 se observaron propiedades únicas del material Kagome:

• Los efectos magnéticos requieren que los electrones fluyan alrededor de los triángulos de Kagome, algo similar a la superconductividad.
  • Aunque estos efectos de ondas magnéticas y de densidad de carga no constituyen superconductividad en el sentido convencional, los investigadores han confirmado que estos fenómenos en los materiales de kagome pueden persistir incluso a temperatura ambiente y en condiciones normales de presión. Esto los convierte en valiosos pasos hacia el descubrimiento de superconductores de mayor temperatura.
• La presencia de un “onda de densidad de carga“, donde los electrones se “fusionan” entre sí en una onda colectiva, transportando colectivamente una corriente eléctrica.
  • A diferencia de la superconductividad “normal”, esta se presenta en picos, como el agua que gotea de un grifo, más que un flujo continuo de electrones.
• A pesar de mostrar ondas de densidad de carga, los materiales kagome también muestran propiedades magnéticas, que normalmente son dos propiedades incompatibles.

En general, la naturaleza muy organizada de los materiales de Kagome podría hacer que sea más fácil estudiar fenómenos que se encuentran en el límite de nuestra comprensión del electromagnetismo, como “superconductividad no convencional" o "Las fluctuaciones continuas entre estados magnéticos en líquidos de espín cuántico..

Fabricación de un superconductor de Kagome

Banda plana Electrones 

Electrones de banda plana son electrones en un tipo especial de banda de energía electrónica que tiene una energía constante o dispersión “plana”, lo que significa que los electrones tienen la misma energía cinética independientemente de su momento.

En términos menos técnicos, esto significa un estado superdenso, donde los electrones pueden comportarse como superconductores, pero sin las condiciones previas habituales para la superconductividad (ultrafrío o presión ultraalta).

Hasta ahora, estabilizar las redes de Kagome para que las bandas planas alcancen el nivel de energía requerido había sido difícil. Hasta que se utilizó CsCr₃Sb₅.

“Nuestros resultados confirman una predicción teórica sorprendente y establecen un camino para la ingeniería de superconductividad exótica mediante control químico y estructural”.

Pengcheng Dai – Departamento de Física y Astronomía de Rice

Construyendo el cristal adecuado

El CsCr₃Sb₅ cristaliza de forma natural en una red hexagonal en capas.

Fuente: Nature Communications

Sin embargo, para observar el efecto a escala y tener un material que fuera útil para aplicaciones comerciales posteriores, se necesitó un cristal mucho más grande.

Perfeccionando sus métodos anteriores, los investigadores lograron producir muestras 100 veces más grandes que las realizadas anteriormente.

Análisis ARPES y RIXS del superconductor de Kagome CsCr₃Sb₅

Para visualizar la estructura electrónica del CsCr₃Sb₄, los investigadores emplearon una técnica llamada ARPES (espectroscopia de fotoemisión con resolución angular). Esta crea un mapa del electrón bajo la luz generada por un acelerador de partículas (sincrotrón).

Fuente: Nature Communications

Reveló firmas distintivas asociadas con orbitales moleculares compactos, un signo de bandas electrónicas planas, y confirmó que todas las geometrías de polarización contribuyen a la formación de bandas planas.

“Los resultados de ARPES y RIXS de nuestro equipo colaborativo brindan una imagen consistente de que las bandas planas aquí no son espectadores pasivos sino participantes activos en la conformación del paisaje magnético y electrónico.

Qimiao Si – Departamento de Física y Astronomía de Rice

Luego utilizaron RIXS (dispersión resonante inelástica de rayos X) para medir los estados de excitación magnética.

Esto también confirmó la presencia de bandas planas, independientemente de los resultados de ARPES.

Fuente: Nature Communications

Efectos de la temperatura en el potencial de superconductividad de Kagome

Los científicos comprobaron luego el efecto de la variación de temperatura en las propiedades de este nuevo material.

A diferencia de otros materiales superconductores potenciales, las propiedades fueron mejores a 140°K (-133°C / -207°F) que a los 10°K (-263°C / -441°F).

Fuente: Nature Communications

En general, estos experimentos no sólo identificaron un nuevo material muy prometedor, sino que también demostraron que la geometría reticular está directamente relacionada con los estados cuánticos emergentes.

“Al identificar bandas planas activas, hemos demostrado una conexión directa entre la geometría reticular y los estados cuánticos emergentes”.

Mingyi – Arroz Asociado Pprofesor de Pfísica y Aastronomía.

Aplicaciones potenciales

La densidad de estados de las bandas planas se encuentra en niveles de energía cercanos a un punto crítico cuántico, lo que potencialmente permite la superconductividad.

Esto también es una mejora con respecto a la red metálica de Kagome anterior, ya que las bandas planas de Kagome proporcionan una alta densidad de estados en una porción mucho más grande del material.

CsCr3Sb5 también suprime la onda de densidad observada en otros materiales de kagome, mejorando aún más su potencial de superconductividad.

Un superconductor de Kagome de temperatura ambiente o alta sería revolucionario para la computación cuántica, los componentes electrónicos de espintrónica (electrónica de bajo consumo de energía) y los materiales topológicos (similar al nuevo estado de la materia desarrollado por Microsoft (MSFT -2.51%) equipo de computación cuántica).

También podría tener potencial como “simplemente” un superconductor de alta temperatura, que podría usarse en levitación magnética, tecnología militar y generación de energía.

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Líderes en soluciones de superconductividad

Corporación americana de superconductores

AMSC es una empresa que ofrece soluciones energéticas para la red eléctrica, los barcos y la energía eólica. En general, cuanto más grande o más consumidor de energía es un sistema, más requiere tecnología superconductora para evitar el sobrecalentamiento.

A pesar de su nombre, ASMC no sólo suministra sistemas superconductores sino también, por ejemplo, transmisiones por engranajes para turbinas eólicas.

La empresa se basa en múltiples factores de crecimiento, desde la tendencia de electrificación y digitalización (incluidos centros de datos de IA), pero también la relocalización de las capacidades de fabricación de EE. UU. y la necesidad de que las armadas de la anglosfera se modernicen en respuesta a los crecientes riesgos geopolíticos.

Fuente: Corporación americana de superconductores

En el segmento de suministro de energía, AMSC ha experimentado un aumento constante de los pedidos, impulsado por las fábricas de semiconductores que buscan protegerse de las fluctuaciones de la red eléctrica, ayudando a la red a lidiar con la naturaleza intermitente de las energías renovables y el suministro de energía y los controles en los sitios industriales.

En el segmento de aerogeneradores, AMSC opera principalmente con su Sistema de Control Eléctrico (ECS). Históricamente, el ESC fue un segmento fuerte para la compañía con sus aerogeneradores de 2 MW, pero ha experimentado un declive progresivo. AMSC aspira a una recuperación gracias al nuevo diseño de la turbina de 3 MW, con especial atención al mercado indio.

Fuente: Corporación americana de superconductores

Para buques militares, ASMC proporciona el sistema de contramedidas de minas magnéticas superconductoras de alta temperatura de AMSC, que altera la firma magnética de los buques para protegerlos de las minas marinas. Este sistema se vende a las armadas de EE. UU., Canadá y el Reino Unido, con pedidos por valor de 75 millones de dólares hasta la fecha.

En general, ASMC está obteniendo mejores resultados aprovechando la tecnología de superconductores en aplicaciones nicho viables hoy en día, y probablemente esté preparada para implementar nuevos avances en el futuro. Los inversores también deben tener en cuenta que la acción ha experimentado una volatilidad extrema en el pasado, por lo que deberían calcular los riesgos en consecuencia.

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Estudio referenciado

^{1. Wang, Z., Guo, Y., Huang, HY. et al. Excitaciones de espín y bandas electrónicas planas en un superconductor de Kagome basado en Cr. Comunicaciones de la naturaleza 16, 7573 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62298-5}