Un estudio deshace el equívoco sobre la superconductividad del monoboruro de niobio

Desde hace décadas los manuales de Física mostraban a este compuesto como ejemplo de superconductor. Tal suposición ha sido ahora cuestionada en el marco de un estudio llevado a cabo por científicos de Brasil y EE.UU.

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Durante más de 65 años, se consideró que el monoboruro de niobio (NbB) era un ejemplo clásico de material superconductor. Tal suposición, registrada en los manuales de física de la materia condensada y en artículos especializados, ha sido ahora cuestionada en el marco de un estudio llevado a cabo por científicos de la Universidad de São Paulo (USP), en Brasil, y de la San Diego State University (EE.UU.). 

En un artículo publicado en Physical Review Materials, los investigadores demostraron que la superconductividad previamente detectada no se debía al monoboruro de niobio. Las propiedades superconductoras estaban asociadas a filamentos de niobio casi puro situados en los bordes de los granos del NbB en las muestras en estudio.

Esta investigación estuvo coordinada por Renato de Figueiredo Jardim, profesor titular del Instituto de Física de la USP y director de la Escuela de Ingeniería de Lorena, y se concretó en el ámbito del Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF), uno de los 17 Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs) financiados por la FAPESP.

“Sabemos que el elemento niobio (Nb) sólo posee superconductividad cuando se lo enfría a temperaturas muy bajas, del orden de los 9,2 Kelvin (K). Ahora hemos descubierto que eso no ocurre con el monoboruro de niobio (NbB) propiamente dicho. Sucede que en las muestras de NbB existe una gran fracción volumétrica de NbB, pero también una pequeña cantidad de Nb casi puro. Son dos fases cristalinas distintas que coexisten en los materiales estudiados. Esa fase minoritaria, compuesta por aproximadamente un 98% de niobio y un 2% de boro, es la que se comporta como superconductora”, declaró Figueiredo Jardim a Agência FAPESP.

En las imágenes de microscopía electrónica reproducidas en el artículo, los filamentos de coloración blanca corresponden a la fase minoritaria, con alrededor del 98% de niobio y un 2% de boro. La nomenclatura adoptada para caracterizar a dicha composición es Nb_0.98B_0.02. En tanto, las zonas grisáceas, en mayor fracción volumétrica, corresponden al monoboruro de niobio.

Los autores observaron que aun cuando existe en una pequeña fracción volumétrica, la fase minoritaria (Nb_0.98B_0.02) es superconductora y forma una red tridimensional a través de la cual la corriente eléctrica puede transitar de un extremo al otro del material.

Es muy probable que esta característica haya confundido a los antiguos científicos que estudiaron el NbB y los haya llevado a adjudicarle la superconductividad por debajo de aproximadamente 9 Kelvin a ese material.

“Identificamos claramente esa estructura reticular mediante microscopía electrónica de barrido. Esa evidencia visual fue, por decirlo de algún modo, una prueba cualitativa de dicha propiedad. Pero no podíamos sostener nuestra hipótesis apoyándonos únicamente en ese punto. Era necesario avanzar, buscando también una prueba cuantitativa, y fue eso lo que hicimos, aplicándole un modelo termodinámico a los datos recabados en los materiales estudiados. Con ese modelo obtuvimos entonces la comprobación que buscábamos”, explicó Figueiredo Jardim.

Desde el punto de vista macroscópico, la superconductividad es una propiedad que exhiben ciertos materiales, que por debajo de una determinada temperatura pasan a conducir la corriente eléctrica sin ninguna pérdida de energía, es decir, sin resistencia eléctrica.

“En forma concomitante con esa propiedad macroscópica, existe otra propiedad, también macroscópica, que es el llamado ‘diamagnetismo perfecto’”, dijo Figueiredo Jardim.

Esta segunda propiedad hace que un superconductor, en presencia de un campo magnético, expulse todo el flujo magnético de su interior.

“El diamagnetismo puede visualizarse entonces como la generación de una corriente superficial en el material que resulta en un campo magnético de igual magnitud, igual dirección y sentido contrario al que se está aplicando. Es como si el material expulsase de su interior el campo magnético envolvente”, explicó.

Este estudio contó también con el apoyo de la FAPESP mediante la concesión de becas en el marco de los proyectos intitulados “Búsqueda de nuevos materiales superconductores” y “Superconductividad en la solución sólida (Nb1-xZrx)B”.

Resonancia y termos

El diamagnetismo está presente en todos los materiales. Sin embargo, suele ser tan débil que su manifestación queda cubierta por la presencia de otras respuestas magnéticas más robustas, tales como el ferromagnetismo, que hace que el material sea atraído por el campo magnético externo, y el paramagnetismo, que hace que los dipolos magnéticos atómicos queden alineados paralelos al campo magnético externo.

Cuando la respuesta diamagnética es suficientemente fuerte, tal como sucede en los superconductores, la repulsión provocada por el campo magnético puede hacer que el material levite, un fenómeno que se volvió famoso en tiempos recientes.

Las aplicaciones tecnológicas de la superconductividad son bastante conocidas en la actualidad. La principal de ellas consiste en la construcción de bobinas con hilos superconductores, que una vez enfriados y aislados térmicamente, pasan a ser recorridos indefinidamente por la corriente eléctrica aplicada, generando campos magnéticos sin disipación de energía. Son los dispositivos que se emplean en los aparatos de estudios por imágenes mediante resonancia magnética de uso habitual.

“La tecnología ha avanzado mucho en los últimos años. En la actualidad, los vasos Dewar –como los de los termos–, capaces de mantener su interior al nivel de temperatura del helio líquido, de 4,2 Kelvin [aproximadamente -270 °C], se encuentran disponibles comercialmente y pueden llevar dentro bobinas superconductoras”, dijo Figueiredo Jardim.

Según el investigador, no existe actualmente una perspectiva de aplicación tecnológica del monoboruro de niobio. “Pero existe un ‘primo’ de éste, el diboruro de magnesio (MgB₂), que viene suscitando un gran interés desde el comienzo de la década pasada. Puede ser que nuestra investigación contribuya a su aplicación tecnológica”, dijo.

Suscriptores pueden leer el artículo intitulado Absence of superconductivity in NbB, de F. Abud, L. E. Correa, I. R. Souza Filho, A. J. S. Machado, M. S. Torikachvili y R. F. Jardim, en el siguiente enlace: journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.1.044803.