⚡ Un nuevo método para predecir superconductores de alta temperatura
Investigadores de la Universidad Penn State han desarrollado un nuevo método para predecir qué materiales podrían volverse superconductores, abriendo el camino a aplicaciones que cambiarían profundamente nuestras tecnologías.
Visualización predicha por DFT de la distribución electrónica en un superconductor de plomo, con estructuras atómicas específicas formadas.
Crédito: Superconductor Science and Technology (2025)
La superconductividad se explica desde hace mucho tiempo por la teoría BCS, según la cual los electrones se asocian en pares (llamados "pares de Cooper") a muy baja temperatura para circular sin obstáculos. Pero este modelo solo funciona en condiciones de frío extremo, cercanas al cero absoluto (-273 °C), lo que limita su uso práctico. El equipo de Zi-Kui Liu ha combinado dos herramientas teóricas: la teoría del funcional de la densidad (DFT), que simula el comportamiento de los electrones, y la teoría zentropy, que describe cómo un material pasa del estado superconductor al estado normal.
La DFT permite predecir las propiedades electrónicas de un material mediante cálculo, sin necesidad de experimentos costosos. Al observar la densidad electrónica, los investigadores pueden detectar configuraciones que se asemejan a las de los pares de Cooper, pero a temperaturas más elevadas. Gracias a este enfoque, han identificado comportamientos superconductores en metales como el cobre, la plata y el oro, que no se consideraban como tales hasta ahora.
La teoría zentropy, por su parte, combina la física cuántica y la mecánica estadística para entender cómo un material pierde su superconductividad según la temperatura. Permite especialmente estimar la temperatura crítica de transición, un parámetro esencial si se quieren utilizar estos materiales en la vida cotidiana. El objetivo ahora es aplicar este método a una inmensa base de datos de materiales para localizar nuevos candidatos prometedores.
Los próximos pasos incluyen la predicción del comportamiento de los materiales bajo diferentes presiones y su prueba en laboratorio. Si estas predicciones se confirman, podrían conducir al descubrimiento de superconductores que funcionen a alta temperatura, incluso a temperatura ambiente. Un avance así transformaría la manera en que producimos, transportamos y utilizamos la electricidad.
Zi-Kui Liu resume el desafío: no se trata solo de explicar lo que ya conocemos, sino de construir un marco teórico para descubrir lo desconocido. Al conectar varias teorías hasta ahora separadas, su equipo abre nuevas perspectivas hacia una energía más eficiente y sostenible.
Teoría BCS y pares de Cooper
La teoría BCS, propuesta por John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer, describe la superconductividad a baja temperatura. Explica que los electrones no circulan solos sino en parejas, los "pares de Cooper". Estos pares se desplazan juntos en la red cristalina, sin chocar con los átomos, lo que elimina la resistencia eléctrica.
Pero estos pares son frágiles y se rompen en cuanto la temperatura aumenta. Por eso los superconductores clásicos solo funcionan a temperaturas muy bajas, obtenidas con costosos sistemas de refrigeración. Este modelo no logra explicar la superconductividad llamada "no convencional", descubierta en familias de materiales como los cupratos.
Teoría del funcional de la densidad (DFT)
La DFT es un método de cálculo en mecánica cuántica que permite predecir las propiedades de un sistema basándose en la densidad electrónica en lugar de en ecuaciones complejas de funciones de onda.
Desarrollada en los años 1960, se ha convertido en una herramienta indispensable para la química y la ciencia de materiales, ya que permite predicciones fiables con recursos informáticos razonables.
En el caso de los superconductores, la DFT no describe directamente la formación de los pares de Cooper, pero puede revelar indicios de comportamientos favorables a la superconductividad. Al asociarla con otros modelos como la zentropy, permite explorar más rápidamente fenómenos complejos e identificar materiales potencialmente revolucionarios.