Por: Mugs Redacción

Luis Antonio Pérez López, investigador titular del Instituto de Física (IF) de la UNAM, estudia la superconductividad no convencional, también llamada de alta temperatura crítica, para dar respuesta a uno de los grandes problemas en esa área: conocer el origen de la formación de pares de electrones en los “nuevos” superconductores.

La superconductividad, explicó, es un estado de la materia que se produce cuando en algunos materiales que están por debajo de cierta temperatura, llamada crítica (Tc), los electrones forman pares y permiten la conducción de electricidad sin resistencia.

Hay dos clases de superconductores: los convencionales o de baja temperatura crítica (de entre unos cuantos Kelvin hasta 23) y los no convencionales o anisotrópicos, entre los que se encuentran los de alta temperatura crítica (por arriba de los 77 Kelvin).

El problema es que esas temperaturas críticas son muy bajas, generalmente menos de 200 grados centígrados, y para que los materiales tuvieran aplicaciones prácticas en líneas de transmisión se tendrían que enfriar, lo que resultaría más costoso que la ganancia al conducir corriente eléctrica sin resistencia, detalló el físico.

La naturaleza de la superconductividad en ambos casos parece ser diferente y “aún no existe consenso entre la comunidad científica en torno a cuál es el mecanismo que da origen a la formación de pares de electrones en los superconductores no convencionales”, indicó.

Los convencionales se descubrieron en la primera mitad del siglo pasado; se trata de metales como el plomo, el aluminio y el mercurio, así como algunas aleaciones metálicas. Para explicarlos, se propuso una teoría basada en la interacción electrón-electrón, mediada por fonones (modo cuantizado de vibración de la red de átomos en un material), que permite que dos electrones, a pesar de tener cargas opuestas, formen pares.

AI respecto, Pérez expuso que en la red de átomos de un material un electrón puede “crear” un fonón o vibración y mandárselo a otro. Bajo ciertas condiciones, esa interacción puede ser atractiva y así se forma un par. Pero los pares, y en consecuencia la superconductividad, sólo pueden romperse si se introduce un mínimo de energía, conocida como brecha superconductora.

En tanto, los superconductores no convencionales de alta temperatura crítica fueron descubiertos en la penúltima década del siglo pasado. Sus brechas, a diferencia de los convencionales, son anisotrópicas y sus temperaturas críticas se pueden alcanzar al utilizar nitrógeno líquido, mucho más barato que el helio líquido.

Ganador de una de las Cátedras Marcos Moshinsky 2015 con el proyecto “Física de sistemas de baja dimensionalidad”, el especialista especificó que en cada caso la brecha superconductora tiene cierta simetría: en los convencionales, es esférica, y en los no convencionales presenta nodos, es decir, “direcciones a lo largo de las cuales no hay brecha”.

El mecanismo fundamental por el cual estos materiales conducen corriente eléctrica es que forman pares de electrones; “es curioso que dos de ellos, que tienen cargas opuestas, se atraigan y formen un par. Eso no ocurre en el espacio vacío”.

A diferencia de los convencionales, donde se conoce que la atracción de electrones se debe al intercambio de fonones, en los otros se desconoce el mecanismo que da lugar a la formación de pares.

“En los últimos años hemos trabajado un modelo que permite entender, dentro de un mismo marco teórico, las diferentes simetrías de brecha superconductora que se observan en la naturaleza, y a partir de él podemos investigar, por ejemplo, el comportamiento termodinámico de estos materiales”.

Pérez López y sus colaboradores han iniciado el estudio teórico del efecto de un campo magnético sobre las propiedades termodinámicas de los superconductores, y “eso es interesante porque hay muchos experimentos reportados en la literatura que se hacen con el uso de campos magnéticos intensos. Hacerlo nos permitiría ver qué tan apegado a la realidad está el modelo que proponemos”.

Es decir, se podrían comparar las predicciones del modelo con el experimento, y así, en principio, dilucidar cuál es el mecanismo físico que da origen a la formación de pares de electrones.

El universitario estudia la superconductividad no convencional para dar respuesta a uno de los grandes problemas en esa área: conocer el origen de la formación de pares de electrones en los “nuevos” superconductores.

Cúmulos atómicos y nanoalambres

Otra parte del proyecto de Pérez, ganador del galardón creado para reconocer e impulsar a jóvenes académicos, consiste en estudiar teóricamente cúmulos atómicos y nanoalambres semiconductores.

Los primeros, explicó, son agregados de unos cuantos y hasta cientos o miles de átomos; estos sistemas se caracterizan porque sus propiedades físicas y químicas varían simplemente al cambiar el número de átomos que los componen, incluso, si es uno solo. Tienen muchas aplicaciones potenciales, una de ellas en la catálisis de reacciones químicas.

Algo interesante es que se pueden formar cúmulos con dos tipos de átomos, generalmente metálicos, llamados nanoaleaciones o nanocúmulos bimetálicos, que también poseen propiedades físicas y químicas que se pueden modificar, no sólo cambiando la geometría y el tamaño, sino la composición.

Los metales que generalmente se emplean son nobles: oro, plata y cobre, así como platino, paladio o rodio, estos últimos muy utilizados como catalizadores en, por ejemplo, los convertidores catalíticos de los autos para transformar el monóxido de carbono, que es venenoso, en dióxido de carbono (CO2).

Otro caso de aplicación es la reducción de CO2 para convertirlo, junto con agua, en combustible orgánico, como el metanol. “Los cúmulos bimetálicos pueden ser útiles para aprovecharse en este tipo de aplicaciones. En el proyecto proponemos estudiar sus propiedades físicas y químicas”.

Un ejemplo más es el de los nanoalambres. Algunos materiales semiconductores, por ejemplo silicio o germanio, cambian sus propiedades al aparecer en forma de nanoalambres, que pueden tener aplicaciones en dispositivos electrónicos nanométricos o sensores químicos.

Las propiedades electrónicas y mecánicas de estos materiales pueden variar por la llamada pasivación superficial; al respecto, Luis Pérez explicó que los nanoalambres están recubiertos por átomos en su superficie y al cambiarlos también lo hacen sus propiedades.

Aquí “proponemos investigar cómo la pasivación superficial, con diferentes tipos de elementos o moléculas, puede cambiar las propiedades electrónicas y mecánicas, y así poder diseñar materiales específicos para ciertas aplicaciones”.

Para Pérez obtener la Cátedra, que lleva el nombre de “uno de los pilares de la física en México”, no es sólo un apoyo económico para realizar su trabajo académico, sino un gran honor, y recordó que aunque no tuvo la fortuna de ser su alumno, durante su doctorado se acercó a él para discutir dudas sobre mecánica cuántica, y siempre se mostró amable y receptivo para la discusión académica.