Resumen:
La superconductividad a temperatura ambiente siempre ha sido uno de los objetivos de investigación más importantes en la física de la materia condensada. Si se puede lograr la superconductividad a temperaturas ambiente normales, podría marcar el comienzo de cambios importantes en áreas como la transmisión de energía, el transporte por levitación magnética, el almacenamiento de energía y la computación cuántica. Un equipo de investigación de la Universidad de Utrecht en los Países Bajos, la Universidad de Leiden en los Países Bajos y la Universidad de Munich en Alemania logró recientemente un progreso importante:
Descubrieron que en algunos materiales superconductores de alta temperatura, el fenómeno de apareamiento de electrones necesario para formar la superconductividad puede mantenerse hasta la temperatura ambiente. Esto significa que el factor clave que impide que los materiales alcancen la superconductividad a temperatura ambiente puede no ser la incapacidad de los electrones para formar pares, sino la incapacidad de estos pares de electrones para moverse de manera coordinada.
La superconductividad es un estado físico especial. Cuando un material se vuelve superconductor, la corriente puede fluir a través de él sin resistencia, por lo que no se pierde energía debido a la resistencia como los conductores ordinarios. En 1911, los científicos descubrieron por primera vez el fenómeno de la superconductividad. Sin embargo, los materiales superconductores tradicionales normalmente necesitan enfriarse a temperaturas extremadamente bajas para funcionar. Muchos materiales incluso requieren el uso de helio líquido para bajar la temperatura a aproximadamente -260 grados Celsius. Este costoso y complejo requisito de refrigeración limita gravemente la aplicación a gran escala de la tecnología superconductora.
A mediados de la década de 1980, los científicos descubrieron una serie de materiales que podían ser superconductores a temperaturas significativamente más altas, algunos de los cuales tenían una temperatura crítica superconductora de aproximadamente -173 grados Celsius. Aunque esta temperatura sigue siendo mucho más baja que la temperatura ambiente, rompe el límite de temperatura de los materiales superconductores tradicionales y también plantea nuevas cuestiones teóricas: las teorías que explican la superconductividad tradicional a baja temperatura no pueden explicar completamente por qué estos materiales superconductores de alta temperatura pueden funcionar.
Esta investigación se centra en dos condiciones indispensables en la formación de la superconductividad.
La primera condición es el apareamiento de electrones. Normalmente, los electrones interactúan entre sí y, en ciertos materiales y entornos, dos electrones pueden formar un estado asociado llamado par de Cooper. Este emparejamiento es una base importante para la formación de la superconductividad.
La segunda condición es la coherencia de fases. Incluso si los electrones han formado un par, eso no significa que el material necesariamente entrará en un estado superconductor. Los pares de electrones también deben formar un estado cuántico coordinado, como los compañeros de un equipo de baile. No sólo es necesario que cada miembro de la pareja trabaje en conjunto, sino que todos los miembros también deben mantener el mismo ritmo. Sólo cuando una gran cantidad de pares de electrones pueden moverse juntos de manera coordinada, un material puede exhibir verdaderas propiedades superconductoras.
En los materiales superconductores tradicionales de baja temperatura, el emparejamiento de electrones y la coherencia de fase generalmente ocurren juntos cuando la temperatura se reduce cerca del punto crítico. Pero los investigadores descubrieron que ambos procesos en materiales superconductores de alta temperatura pueden separarse entre sí. Los electrones pueden formar pares con mucha antelación, muy por encima de la temperatura crítica de superconducción, y permanecer en este estado incluso a temperatura ambiente.
El equipo de investigación cree que esto muestra que la interacción que mantiene el emparejamiento de electrones es lo suficientemente fuerte como para que incluso si la temperatura aumenta a temperatura ambiente, el par de electrones no se desintegre inmediatamente. Lo que realmente limita la formación de superconductividad puede ser la segunda condición, que es si estos pares de electrones pueden establecer coherencia de fase.
Ingmar Swart, uno de los líderes de la investigación y científico de la Universidad de Utrecht, dijo que este descubrimiento es de gran importancia porque el equipo de investigación ha demostrado que una de las dos condiciones clave necesarias para formar superconductividad a temperatura ambiente se puede lograr a temperatura ambiente. Si el emparejamiento de electrones simplemente no se puede mantener a temperatura ambiente, los esfuerzos para encontrar materiales superconductores a temperatura ambiente se verán fundamentalmente limitados desde el principio. Ahora que este obstáculo se ha eliminado aún más, los investigadores pueden estudiar más intensamente cómo se forma exactamente la coherencia de fases y qué impide que surja a temperaturas más altas.
El avance de esta investigación está estrechamente relacionado con los nuevos equipos de medición desarrollados por los propios investigadores. Los métodos de medición tradicionales a menudo tienen dificultades para distinguir claramente si la corriente es transportada por un solo electrón o por electrones que han formado un par. El nuevo dispositivo diseñado por el equipo de investigación puede distinguir entre estas dos corrientes, lo que les permite estudiar directamente el rango de temperatura en el que se produce el emparejamiento de electrones dentro del material y cómo se relaciona esto con el estado superconductor.
El material utilizado en la investigación es un superconductor de óxido de cobre de alta temperatura, específicamente un material de óxido de cobre, calcio, bismuto, estroncio. Al medir sus características de energía electrónica, los investigadores encontraron una correspondencia entre un fenómeno anteriormente conocido como pseudogap (Pseudogap) y la energía necesaria para el emparejamiento de electrones. Esto proporciona una nueva base experimental para comprender el mecanismo de emparejamiento de electrones en la superconductividad a alta temperatura.
El artículo de investigación relevante se titula "Equivalencia de pseudogap y energía de emparejamiento en un superconductor de cuprato de alta temperatura" y se publicó en la revista Science el 5 de noviembre de 2026. Los autores principales del artículo incluyen a Jiasen Niu y Maialen Ortego Larrazabal, y la investigación se completó en colaboración con científicos de la Universidad de Utrecht, la Universidad de Leiden, la Universidad de Munich y otras instituciones.
Sin embargo, este descubrimiento no significa que los científicos hayan creado materiales superconductores a temperatura ambiente. Los investigadores no han demostrado que ningún material pueda alcanzar una resistencia cero a temperatura ambiente, ni han demostrado circuitos superconductores que puedan funcionar a temperatura ambiente. El verdadero avance se produjo cuando descubrieron que la condición necesaria para el emparejamiento de electrones puede existir a temperatura ambiente, reduciendo aún más el alcance del problema que debe resolverse en la búsqueda de superconductores a temperatura ambiente.
A continuación, el equipo de investigación se centrará en estudiar la coherencia de fases, tratando de descubrir por qué se pueden formar pares de electrones a temperatura ambiente pero no pueden coordinar su movimiento a la misma temperatura. Si pudieran encontrar una manera de controlar este proceso, podrían diseñar nuevos materiales que puedan ser superconductores a temperaturas más altas.
Desde la perspectiva de la importancia de la investigación, el valor más importante de este logro no es traer inmediatamente un nuevo material superconductor, sino ayudar a los científicos a comprender con mayor precisión el mecanismo físico de la superconductividad de alta temperatura. En las últimas décadas, la investigación sobre la superconductividad a temperatura ambiente se ha visto limitada por explicaciones teóricas incompletas. Ahora, el emparejamiento de electrones y la coherencia de fases se pueden estudiar por separado, proporcionando una dirección más clara para la siguiente etapa del diseño de materiales y la exploración experimental.
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