Blog

Aug 31, 2023

LK

Archivado en: El frenesí de los superconductores, explicado. Encontrar las mejores maneras de hacer el bien. Durante los últimos días, he estado recargando frenéticamente cuentas de Twitter para intentar aprender todo lo posible.

Archivado en:

El frenesí de los superconductores, explicó.

Encontrar las mejores maneras de hacer el bien.

Durante los últimos días, he estado recargando frenéticamente cuentas de Twitter para tratar de aprender todo lo posible sobre LK-99, el supuesto superconductor de presión ambiental y temperatura ambiente que un equipo de físicos con sede en Corea del Sur afirma haber identificado.

Quizás esto sea una semana después de que supe qué es un superconductor o por qué es importante que esté a temperatura o presión ambiente. Pero en cuestión de días pasé de una ignorancia casi total a un absoluto regocijo ante las posibilidades que promete la tecnología. Siempre que, por supuesto, sea real.

Tú también puedes emprender este viaje desde la ignorancia hasta el vértigo. Los detalles sobre cómo fabricar e investigar materiales superconductores son increíblemente complejos, y el trabajo en cuestión lo realizan grandes equipos de físicos que operan en la vanguardia del campo. Pero la ciencia que explica por qué es importante es, en comparación, relativamente simple.

La superconducción a temperatura ambiente, si es posible, abre la puerta a avances tecnológicos asombrosos. Podría hacer que la transmisión de electricidad sea mucho más eficiente; dar lugar a baterías eléctricas de mayor capacidad y carga más rápida; permitir una energía de fusión nuclear práctica y libre de carbono; y hacer que la computación cuántica (computadoras capaces de resolver problemas demasiado complejos incluso para las computadoras más rápidas existentes) sea factible a una escala mucho mayor.

Un superconductor de gran utilidad, fácil de fabricar y capaz de funcionar a temperaturas normales sería un enorme avance. Varios comentaristas lo han comparado con la invención del transistor en 1947, una tecnología sin la cual las décadas de progreso posterior en informática no habrían sido posibles. Incluso si el LK-99 en sí no supone un gran avance, su aparición ha reavivado el interés público por los superconductores en general y sirve como un útil recordatorio de lo valioso que podría ser el progreso en esta área.

Comencemos con lo más básico; Si eres electricista o recuerdas más que yo la física de la escuela secundaria, no dudes en saltarte esta parte. (Disculpas, Sr. Mehrbach, olvidé todo esto).

La electricidad fluye más fácilmente a través de algunos materiales que de otros. Si un material transporta electricidad fácilmente, se llama conductor; si no, es un aislante. La mayoría de los metales son bastante buenos conductores y el cobre en particular es muy bueno, razón por la cual se usa con tanta frecuencia para cables eléctricos. (La plata es incluso mejor, pero mucho más cara). El vidrio, el plástico y la madera son buenos aislantes. Estoy usando términos como "bastante bueno" y "muy bueno" porque la conductividad es un espectro. El cobre no transmite perfectamente cargas eléctricas; Ofrece cierta resistencia, lo que significa cierta pérdida de electricidad en el camino, pero mucho menos que la mayoría de los materiales.

En el extremo del espectro se encuentran los superconductores, que ofrecen literalmente una resistencia cero y una conductividad perfecta. Que tales materiales existan es algo descabellado. Los conductores normales se vuelven más conductores a medida que se enfrían y menos a medida que se calientan, pero el cambio es continuo. Los superconductores, por el contrario, tienen umbrales estrictos llamados "temperaturas de transición", momento en el cual un material de repente se convierte en superconductor. Es más, la teoría detrás de por qué funcionan la mayoría de los superconductores (“teoría BCS”, una inicial de los apellidos de los físicos detrás de ella) es sorprendentemente simple y elegante.

"Es una de las teorías más bonitas que se pueden tener sobre la materia condensada", me dijo Lilia Boeri, profesora de física en la Universidad Sapienza de Roma e investigadora destacada sobre superconductividad. “Es un poco como magia. Funciona maravillosamente”.

Los físicos saben que los superconductores existen desde 1911, y varias tecnologías existentes, como las máquinas de resonancia magnética, serían imposibles sin ellos. Pero siempre ha habido un problema. Hasta la fecha, los únicos superconductores conocidos tienen que ser extremadamente fríos (por ejemplo, superconductores de plomo a 447 grados Fahrenheit negativos) o estar hechos de materiales que sólo se forman a presiones extremadamente altas. (Bastante alto: un artículo reciente muy controvertido sugirió un material que se forma a 10.000 veces la presión atmosférica, aproximadamente 10 veces la presión en el fondo del Océano Pacífico, y los escépticos consideran que eso es sospechosamente bajo para fabricar un superconductor). Hacer cosas súper frías y/o aplicarles toneladas de presión requiere una energía considerable, lo que a su vez erosiona algunos de los beneficios que se obtienen de un superconductor.

En algunos casos, como las resonancias magnéticas, vale la pena gastar esa energía. Las resonancias magnéticas requieren la creación de campos magnéticos 30.000 veces más potentes que el de la Tierra para posicionar los núcleos de los átomos de hidrógeno en los cuerpos humanos de modo que se puedan visualizar de manera efectiva; Usar helio líquido para enfriar cables hechos de una aleación de niobio y titanio es engorroso, pero hacer posible un imán de este tipo. Sin embargo, para la mayoría de los fines distintos de las resonancias magnéticas, crear un superconductor es simplemente excesivo.

Un superconductor a temperatura ambiente y presión ambiente eliminaría este compromiso. Crear un imán increíblemente poderoso como el que se usa en las máquinas de resonancia magnética no requeriría temperaturas extremadamente frías; Si este hipotético material superconductor fuera lo suficientemente fácil de fabricar, se podrían crear máquinas de resonancia magnética mucho más potentes que utilizarían una fracción de la energía que se utiliza actualmente.

Pero eso sería sólo el comienzo.

Las imágenes médicas no son el único negocio en el que la gente depende de imanes grandes y potentes. Los superconductores se utilizan en algunos tipos de trenes maglev (levitación magnética): trenes que no se propulsan a lo largo de una vía sobre ruedas, sino que flotan sobre su vía y son propulsados ​​por una fuerza magnética. Sin fricción física de una vía, los trenes maglev pueden alcanzar velocidades extremadamente altas; un tren maglev comercial en funcionamiento en Shanghai puede alcanzar 268 millas por hora, mientras que un sistema maglev superconductor de prueba en Japón alcanzó la asombrosa cifra de 373 millas por hora en 2015. La superconducción a temperatura ambiente podría hacer que sistemas como este sean mucho más fáciles y baratos de fabricar y operar.

Fuera del mundo de los imanes, el potencial de transmitir electricidad sin pérdidas a largas distancias o largos períodos de tiempo podría ser aún más transformador. Los superconductores ya se emplean en determinadas aplicaciones limitadas para almacenar energía. Se utilizan del mismo modo que una batería, pero funcionan mediante un mecanismo totalmente diferente. Las baterías, desde una Duracell AA hasta una batería de iones de litio Tesla capaz de almacenar aproximadamente 100 kWh, almacenan energía químicamente y pueden convertirla en electricidad utilizable. Eso implica necesariamente cierta pérdida de energía e ineficiencia. El almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES), por el contrario, es simplemente un cable superconductor en bucle: un superconductor circular alrededor del cual los electrones giran sin cesar, sin encontrar nunca resistencia. Es simplemente una corriente eléctrica que continúa y continúa indefinidamente, sin pérdida.

La capacidad de estos sistemas para liberar instantáneamente una enorme cantidad de energía los hace útiles como respaldo en casos en los que hay una pérdida repentina de energía de fuentes más comunes. Sin embargo, en este momento, la enorme energía necesaria para mantener dichos sistemas a una temperatura lo suficientemente baja como para que se produzca la superconducción hace que sus aplicaciones sean limitadas. Pero si la superconducción pudiera ocurrir a temperaturas más normales, los sistemas PYME podrían ser mucho más útiles, ya que su alto nivel de eficiencia, durabilidad y velocidad de carga/descarga en comparación con las baterías podrían resultar muy atractivos, especialmente para las fuentes de energía renovables intermitentes que dependen de almacenamiento.

La superconducción también es importante para muchos diseños de reactores de fusión nuclear. Desde hace décadas, los físicos han intentado generar energía obligando a los átomos a unirse, el mismo proceso que alimenta al Sol y otras estrellas, con la esperanza de aprovechar una fuente de energía libre de carbono pero más segura y productiva que la fisión nuclear. Pero si bien los creadores de la bomba de hidrógeno consiguieron hacerlo de forma incontrolada en 1952, hacerlo de forma controlada, capaz de generar electricidad utilizable, requiere contener la reacción de alguna manera. Una teoría común es utilizar imanes muy potentes, y algunos diseños, como el ITER (anteriormente Reactor Experimental Termonuclear Internacional) en Francia, dependen de superconductores para generar esa fuerza magnética.

Mantener temperaturas ultrabajas para que funcionen los superconductores es una de las principales pérdidas de energía del ITER y diseños similares, que el reactor debe superar para ser energético positivo. Si no fuera necesario superar ese obstáculo, sería posible hacer más. Entonces, mejores materiales superconductores, o que requieran mucho menos enfriamiento, podrían acercarnos a los reactores de fusión que generan energía neta.

Luego está la computación cuántica. Al igual que la fusión, la computación cuántica es un avance prometido desde hace mucho tiempo que promete ejecutar ciertos cálculos con mucha mayor velocidad y precisión de lo que son capaces las computadoras comunes. John Preskill, un destacado físico que trabaja en computación cuántica, ha escrito que “tenemos buenas razones para creer que una computadora cuántica sería capaz de simular eficientemente cualquier proceso que ocurre en la naturaleza”, permitiendo el desarrollo de productos y sistemas más efectivos y eficientes. que cualquier cosa que exista hoy.

Gran parte del progreso reciente en la computación cuántica ha sido impulsado por sistemas, como el procesador Sycamore de Google, que dependen de superconductores para funcionar. La necesidad de enfriar esos superconductores a temperaturas extremadamente bajas ha limitado la utilidad práctica de las computadoras cuánticas: incluso agregar un cable para que los cálculos puedan transferirse desde los superconductores súper fríos corre el riesgo de calentarlos demasiado. Los superconductores a temperatura ambiente, o más práctica, serían de gran ayuda en ese sentido.

Por lo tanto, un superconductor a temperatura ambiente sería genial, si fuera real. Esto lleva a la pregunta obvia: ¿Es real LK-99, el supuesto superconductor?

La respuesta corta es: no lo sé, y nadie más tampoco. Laboratorios de todo el mundo, y a veces aficionados individuales, han estado tratando desesperadamente de fabricar el material ellos mismos y probarlo para ver si realmente puede ser superconductor a alta temperatura, con resultados mixtos hasta ahora. Los mercados de predicción han visto probabilidades tremendamente variables a medida que los participantes apuestan a favor y en contra del resultado del material.

Alex Kaplan, que durante el día trabaja como jefe de productos de café para una empresa emergente de café pero tiene una licenciatura en física, recientemente ganó cierta fama como líder de una pandilla de Twitter que rastrea a LK-99. Narra bien la progresión de las emociones. Primero, estaba emocionado. Sus amigos físicos estaban emocionados y lanzó un tweet con 30 millones de visitas al momento de escribir este artículo proclamando que este podría ser "el mayor descubrimiento de física de mi vida".

Luego comenzaron a acumularse pruebas que lo refutaban. Los físicos en cuestión en realidad publicaron dos artículos (ambos preprints, aún pendientes de revisión por pares): uno con tres autores: Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim y Young-Wan Kwon (tres, dicho sea de paso, es el número máximo de personas que pueden comparten un Premio Nobel de Física), y luego uno con seis. Los documentos tenían diferencias notables y algo sospechosas. Dos coautores, uno que figura sólo en el artículo de seis autores y el segundo en ambos, dijeron a las agencias de noticias que el trabajo fue publicado sin su permiso. Un gráfico en el artículo de seis autores aparentemente mostraba que el material no era un superconductor y, de hecho, todavía tenía una resistencia sustancial a temperaturas normales. Luego se supo que el equipo había escrito un artículo separado que en realidad pasó por revisión por pares y se publicó en una revista coreana hace meses. "Las tramas eran todas diferentes" a las de los artículos posteriores, señala Kaplan. “De inmediato, tan pronto como lo vi, pensé: 'se acabó'”.

Luego volvió rugiendo, más o menos. Sinéad Griffin, una física muy respetada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, publicó un artículo teórico que informa los resultados de un modelo informático del material. Griffin escribió el artículo en una semana, pero fue la culminación de un trabajo en el que había estado pensando durante una década o más. "Tuve un artículo que analizaba algo similar hace 10 años", me dijo. "Supe de inmediato lo que tenía de interesante".

El resultado más sorprendente que encontró fue la pequeña línea amarilla en el medio del gráfico de la derecha a continuación:

Resultado 2: La estructura electrónica de Cu sobre Pb(1) tiene bandas planas aisladas en el nivel de Fermi. ¡Estos son el resultado directo de la distorsión estructural! Cuando calculo las bandas sin distorsión, no están aisladas. Cuando incluyo la distorsión, ¡lo son! pic.twitter.com/XDgluxPfef

Esa línea amarilla plana se llama, apropiadamente, “banda plana”. Los gráficos como los anteriores se llaman “diagramas de espagueti”, por razones obvias, y actúan como “un mapa de lo que los electrones pueden hacer en su material”, me dijo Griffin. “Por lo general, en un diagrama de espagueti normal hay muchas colinas y valles. Los átomos están cerca unos de otros e interactúan entre sí”.

Si no hay colinas y valles, eso significa que los átomos no interactúan mucho. "Es extraño verlo en un material: los átomos están cerca, no tienden a tener estas bandas planas", continuó Griffin. "La física resultante de esto es que tienes muchos electrones empujados al mismo tipo de rango". Luego, esos electrones interactúan entre sí. Uno de los extraños resultados de esa interacción puede ser la superconductividad.

Algunos observadores se abalanzaron sobre el artículo de Griffin y los estudios de modelado posteriores como evidencia de que LK-99 es realmente un superconductor, pero la propia Griffin es mucho más cautelosa. La superconducción es una de las cosas que una estructura como esta podría hacer, pero no la única: las bandas planas a veces se asocian con la "transición metal/aislante", en la que un material pasa de ser conductor de electricidad a ser un aislante que no lo hace. No realizar ninguna conducta. En otras palabras, exactamente lo contrario de un superconductor.

El siguiente paso para ella es utilizar técnicas de modelado más avanzadas para precisar lo que significan las bandas planas y otras características extrañas del material. "El método que utilicé es un buen primer paso, pero tiene sus limitaciones", explica.

Mientras tanto, físicos e ingenieros de todo el mundo han intentado fabricar ellos mismos el material. Andrew McCalip, ingeniero de la empresa espacial comercial Varda Space Industries, ha estado tuiteando en vivo su intento, que culminó con la creación de una roca que flota cuando se coloca sobre un imán. Ese comportamiento, que los autores originales del artículo LK-99 también afirmaron para su muestra, podría ser evidencia del efecto Meissner, que está asociado con la superconductividad. Pero también podría ser el resultado de otras reacciones magnéticas.

Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong informaron el mismo resultado, al igual que Iris Alexandra, una usuaria seudónima de Twitter con un avatar anime que dice ser una científica del suelo radicada en Rusia. (Personalmente, creo que el equipo de Huazhong es el más convincente aquí, pero se debe dar crédito al otaku que llegó allí primero).

Es realmente difícil saber qué hacer con estos intentos hasta ahora. Es imposible desde lejos saber si los materiales que estos equipos están analizando son los mismos que el material que creó el equipo LK-99 original, o verificar de forma independiente los análisis de estos materiales. Más que eso, hasta ahora no hay evidencia concluyente que muestre una resistividad cero del material, que es lo que necesitaríamos demostrar para saber que es un superconductor.

“No sé por qué este informe atrajo tanta [atención]”, dice Boeri, el físico italiano. “Siempre hay informes periódicos [como este]. Esto es completamente extraño, una especie de historia viral”.

Le preocupa que pueda distraer la atención de otros esfuerzos de investigación en superconductividad, como aquellos que involucran hidruros: materiales que combinan hidrógeno y otros elementos que, en el caso de la superconductividad, hasta ahora solo se forman bajo fuerte presión. Una esperanza es que algunos materiales que pueden formarse bajo tal presión sigan siendo viables y superconductores cuando se liberen a temperaturas más normales. "Esto es algo que uno puede imaginar llevar a escala", dice Boeri. "Los materiales que se fabrican de esta manera son diferentes de los materiales que se obtienen a presión ambiental".

Las afirmaciones sobre LK-99 son extraordinarias y sabemos lo que requieren. Los físicos con los que hablé no vieron ninguna razón para creer que sea un superconductor, según la evidencia presentada hasta ahora. Pero incluso si LK-99 no logra replicarse como superconductor, el alboroto actual es un buen recordatorio de lo útiles que podrían ser mejores superconductores de alta temperatura. Boeri señala que ni siquiera se necesitan “temperatura ambiente” para muchas aplicaciones: si un superconductor sólo necesita ser enfriado con nitrógeno líquido, en lugar de helio líquido, eso es una gran ventaja y un ahorro de energía. Los superconductores de “alta temperatura” existentes pasan esa prueba, pero son demasiado frágiles para la mayoría de los usos prácticos.

Quizás lo mejor que pueda surgir de la furia del LK-99 sea una inversión renovada y centrarse en tratar de conseguir superconductores más prácticos a temperaturas más altas. Puede que el ganador no sea LK-99. Pero todavía podría existir un material con propiedades mágicas similares.

¿Apoyará el periodismo explicativo de Vox?

La mayoría de los medios de comunicación ganan dinero mediante publicidad o suscripciones. Pero cuando se trata de lo que intentamos hacer en Vox, hay un par de problemas importantes al depender de anuncios y suscripciones para mantener las luces encendidas. En primer lugar, el dinero destinado a publicidad sube y baja con la economía, lo que dificulta para planificar el futuro. En segundo lugar, no estamos en el negocio de las suscripciones. Vox está aquí para ayudar a todos a comprender los complejos problemas que configuran el mundo, no solo a las personas que pueden permitirse pagar una suscripción. Es importante que tengamos varias formas de ganar dinero. Por eso, aunque la publicidad sigue siendo nuestra mayor fuente de ingresos, también buscamos el apoyo de los lectores. Si también crees que todo el mundo merece acceso a información fiable y de alta calidad, ¿le harás hoy un regalo a Vox? Cualquier cantidad ayuda.

$95/año

$120/año

$250/año

$350/año

Aceptamos tarjeta de crédito, Apple Pay y Google Pay. También puedes contribuir a través de

Cada semana, exploramos soluciones únicas a algunos de los problemas más grandes del mundo.

Revise su bandeja de entrada para recibir un correo electrónico de bienvenida.

Ups. Algo salió mal. Por favor, introduce un correo electrónico válido e inténtalo de nuevo.