El polihidruro de tantalio se une a la clase emergente de alta

Jul 17, 2023

El polihidruro de tantalio se convierte en superconductor a una temperatura de 30 K y presiones de alrededor de 200 gigapascales (GPa), dicen investigadores de la Academia China de Ciencias en Beijing. Esta es la primera vez que se observa superconductividad en un hidruro elaborado a partir de un metal de transición del Grupo 5, y los miembros del equipo de investigación dicen que el descubrimiento podría allanar el camino hacia la síntesis de hidrógeno metálico.

Los superconductores son materiales que transportan corriente eléctrica sin resistencia eléctrica cuando se enfrían por debajo de su temperatura de transición superconductora (Tc). Se utilizan en aplicaciones que van desde imanes de alto campo en escáneres de resonancia magnética y aceleradores de partículas hasta bits cuánticos en computadoras cuánticas. Sin embargo, la Tc de la mayoría de los superconductores está sólo unos pocos grados por encima del cero absoluto, e incluso los llamados superconductores de alta temperatura deben enfriarse por debajo de 150 K antes de que puedan conducir electricidad sin resistencia. Por ello, los investigadores intentan desarrollar materiales que sigan siendo superconductores a temperaturas más altas, idealmente a temperatura ambiente.

En teoría, el estado metálico del hidrógeno, que se espera que se produzca a presiones extremadamente altas, debería ser un superconductor a temperatura ambiente. Desafortunadamente, es muy difícil convertir el hidrógeno puro en metal. Como alternativa, los científicos han comenzado a investigar los hidruros, que son compuestos formados por hidrógeno y un metal.

En los últimos años, se ha descubierto que tanto el hidruro de azufre como los polihidruros son superconductores a temperaturas superiores a 200 K, aunque sólo a presiones más de un millón de veces superiores a la presión atmosférica al nivel del mar. Otros materiales superconductores de esta clase incluyen hidruros de tierras raras como LaH10 e YH9 e hidruros alcalinotérreos como CaH6. De manera similar, se ha descubierto que los hidruros que contienen circonio, lutecio y estaño tienen una Tc moderadamente alta.

La mayoría de los metales de transición tridimensionales tienen espines electrónicos locales que tienden a exhibir fluctuaciones magnéticas que se oponen a la superconductividad. Por este motivo, los investigadores han centrado su atención en los metales de transición 5d como el Hf y el Ta. De hecho, el polihidruro de hafnio se vuelve superconductor alrededor de 83 K.

Un equipo de investigadores dirigido por Changqing Jin ha sintetizado un hidruro superconductor adicional, el polihidruro de tantalio (TaH3). Realizaron su experimento colocando el material en una celda de yunque de diamante y, a una presión de 200 GPa, observaron que se superconduce a alrededor de 30 K. Esto lo convierte en el primer hidruro superconductor fabricado a partir de metales del Grupo 5, dice Jin. y colegas, que investigaron la fase superconductora utilizando conductancia eléctrica in situ y mediciones de difracción de rayos X a altas presiones.

Se encuentra evidencia de superconductividad 'casi ambiental' en hidruro de lutecio

Jin explica que el tantalio tiene una alta tolerancia a los elementos intersticiales y puede acomodar más de tres átomos de hidrógeno en su red. Sin embargo, estos átomos están demasiado separados entre sí para que los electrones salten directamente entre diferentes sitios del material y produzcan una corriente eléctrica sin disipación. “Sugerimos, por tanto, que la superconductividad que hemos observado está relacionada con la hibridación entre los orbitales de Ta y H”, explica a Physics World. "Esto es totalmente diferente de lo que se espera de los superconductores de hidruro de calcio o polihidruro de tierras raras, en los que los electrones pueden saltar directamente entre átomos de H adyacentes que forman una jaula muy densa".

La observación de la superconductividad en TaH3 implica que el hidrógeno metálico podría formarse metalizando un enlace covalente entre H y otros elementos. Los investigadores, que informan sobre su trabajo en Chinese Physics Letters, dicen que ahora planean explorar otros superconductores de polihidruro que contengan estos enlaces covalentes.