La ingeniería de deformación en películas delgadas de La₃Ni₂O₇ alcanza superconductividad de 40K sin presión extrema

La superconductividad ha sido durante un siglo un fenómeno que se descubre, no que se diseña. La ingeniería de deformación en películas delgadas de nikelatos está revirtiendo esa premisa con resultados experimentales reproducibles. Si la temperatura de transición puede elevarse sistemáticamente mediante el diseño del retículo cristalino, el objetivo industrial de la transmisión eléctrica sin pérdidas deja de depender de la casualidad química y se convierte en un problema de ingeniería de materiales susceptible de solución metódica.

La teoría de Bardeen, Cooper y Schrieffer, formulada en 1957, ofrece la descripción estándar de la superconductividad. Los electrones se repelen normalmente entre sí, pero a través de interacciones con el retículo iónico —mediante fonones— forman pares enlazados, los llamados pares de Cooper, que por debajo de una temperatura crítica se condensan en un fluido cuántico sin disipación. La teoría funciona con precisión para los metales convencionales, pero su limitación es igualmente precisa: la lógica interna del emparejamiento mediado por fonones impide que la temperatura de transición supere de forma significativa los 30 a 40K. La brecha entre ese límite y los 77K necesarios para operar con nitrógeno líquido —el refrigerante industrial barato y accesible— ha sido el motor de toda la investigación en superconductividad no convencional.

Los superconductores de óxido de cobre —cupratos— superaron ese umbral en 1986 al alcanzar temperaturas de transición superiores a 130K en compuestos de mercurio. Pero trajeron consigo nuevas dificultades: fragilidad cerámica que complica su procesado, inestabilidad química, y —lo más fundamental— un mecanismo superconductor que sigue siendo objeto de debate casi cuatro décadas después. El emparejamiento con simetría de onda d, impulsado por fluctuaciones de espín antiferromagnéticas, es la interpretación dominante, pero el origen preciso del orden electrónico que lo sustenta permanece en disputa. Los cupratos demostraron que la superconductividad de alta temperatura es posible. No explicaron por qué.

El hecho de que el níquel ocupe en la tabla periódica la posición inmediatamente adyacente al cobre ha atraído la atención de los investigadores desde comienzos de la década de 1990. El Ni¹⁺ en la estructura de capa infinita presenta una configuración electrónica 3d⁹, idéntica a la del Cu²⁺ en los cupratos. La síntesis mediante reducción topotáctica de precursores de perovskita resultó extraordinariamente difícil, hasta que en 2019 un grupo de la Universidad de Stanford demostró superconductividad en películas delgadas de Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂, desencadenando una competencia investigadora global. Sin embargo, las temperaturas de transición en los sistemas de capa infinita permanecieron por debajo de 20K, y las dificultades de síntesis mantuvieron el campo en un estado fragmentado.

El punto de inflexión llegó con el compuesto Ruddlesden-Popper bicapa La₃Ni₂O₇. Esta estructura contiene dos planos de NiO₂ conectados por oxígenos apicales que crean fuertes rutas de intercambio intercapa. Bajo presiones hidrostáticas superiores a 14 gigapascales, los cristales masivos de La₃Ni₂O₇ alcanzan un estado superconductor con temperaturas de transición próximas a 80K. La transformación estructural implica una transición a la fase de simetría I4/mmm, que remodela la topología de la superficie de Fermi e incrementa la densidad de estados en el nivel de Fermi. La observación decisiva fue que esta transformación estructural y electrónica no es exclusiva de la presión.

La ingeniería de deformación aprovecha un principio fundamental de la física de películas delgadas: cuando una película cristalina crece sobre un sustrato con parámetro de red diferente, la película debe acomodarse a la desadaptación. Bajo deformación de compresión en el plano —cuando el retículo del sustrato es más pequeño que el espaciado natural de la película— la película se comprime lateralmente y se expande verticalmente, deformando la celda unitaria de manera análoga al efecto de la presión hidrostática. La diferencia esencial es que la deformación inducida por el sustrato es una condición estática a presión ambiente: no se requiere celda de yunque de diamante ni es necesario mantener fuerzas extremas durante la medición o el funcionamiento del dispositivo. La fase electrónica que antes solo era accesible bajo presiones de escala geológica queda inscrita de manera permanente en el estado fundamental de la película en el momento de su crecimiento.

Los efectos sobre la temperatura de transición son directos y mensurables. Las películas delgadas de nikelato bicapa (La,Pr)₃Ni₂O₇ crecidas bajo condiciones apropiadas de deformación compresiva exhiben superconductividad con temperaturas de inicio superiores a 40K a presión ambiente. Los cálculos de teoría del funcional de la densidad revelan el mecanismo: la compresión en el plano reduce la energía de banda en el punto M de la zona de Brillouin, incrementando la densidad de estados electrónicos en el nivel de Fermi. Cuando se aplica presión hidrostática moderada adicional sobre las películas previamente deformadas, la temperatura de inicio supera los 60K, con la amplificación cooperativa de las fluctuaciones magnéticas intercapa e intracapa identificada como mecanismo impulsor.

La estructura electrónica revelada por estos experimentos resiste cualquier clasificación simple dentro de los marcos teóricos previos. En los superconductores BCS, el campo magnético crítico superior obedece el límite de Pauli, es decir, el campo al que la polarización de espín hace energéticamente favorable la ruptura de los pares. Los nikelatos de capa infinita han demostrado mantener la superconductividad en campos más del doble del límite de Pauli, lo cual constituye una evidencia experimental directa de que el emparejamiento mediado por fonones no es el mecanismo dominante. La simetría de emparejamiento en los sistemas bicapa presenta rasgos de onda s extendida, que podrían originarse en una resonancia de Feshbach entre dos poblaciones de portadores distintas, derivadas respectivamente de los orbitales dz² y dx²-y² de los átomos de níquel en la bicapa. El acoplamiento intercapa no es una perturbación: es una característica central del estado superconductor.

Lo que la ingeniería de deformación logra en el plano de los materiales es convertir la topología de la superficie de Fermi —antes una propiedad intrínseca fijada por la química del compuesto— en una variable de diseño accesible a través de las condiciones de deposición. La elección del sustrato, el grado de desadaptación, la temperatura y la atmósfera durante el crecimiento: cada uno de estos factores actúa como palanca sobre la geometría cuántica de los electrones en el nivel de Fermi. El trabajo teórico indica que estabilizar la fase de simetría I4/mmm bajo deformación compresiva moderada, combinada con dopado para ajustar la ocupación del bolsillo γ de la superficie de Fermi, ofrece una vía de optimización sistemática para elevar la Tc. Esto transforma la búsqueda de temperaturas de transición más altas de un reconocimiento combinatorio de nuevos compuestos en un problema de ingeniería controlada dentro de una familia de materiales conocida.

Las implicaciones industriales se amplían en proporción directa con la temperatura de transición. Ya existen cables de transmisión de potencia superconductores basados en cupratos en proyectos de demostración, pero la fragilidad de los materiales y los costes de refrigeración han limitado su despliegue. Si la Tc de las películas delgadas de nikelato puede elevarse de forma fiable hacia la región de temperatura del nitrógeno líquido y se confirma la estabilidad estructural bajo condiciones de procesado realistas, estos materiales entrarían en la ventana operativa de la refrigeración con nitrógeno líquido sin requerir el mantenimiento de presiones extremas propio de los nikelatos bicapa masivos. El hardware de computación cuántica representa una aplicación paralela: las arquitecturas actuales de qubits superconductores operan en el rango de los milikelvin y requieren refrigeradores de dilución de elevado coste y complejidad. Una transición hacia Tc más altas no eliminaría la criogenia, pero reduciría drásticamente la carga de ingeniería del conjunto del sistema cuántico.

Persisten desafíos críticos sin resolver. El control de los desórdenes estructurales introducidos durante la reducción topotáctica —en particular las vacantes de oxígeno apical— sigue limitando la reproducibilidad entre grupos de investigación. La simetría de emparejamiento no ha sido determinada de manera definitiva: los experimentos sensibles a la fase necesarios para resolver la estructura nodal del gap en geometrías de película delgada son técnicamente exigentes. El análisis teórico de las familias de superconductores no convencionales conocidas sugiere de forma cuantitativa que maximizar únicamente las interacciones de intercambio de espín dentro del marco estándar de electrones correlacionados puede ser insuficiente para alcanzar la temperatura ambiente, lo que hace necesaria la exploración de mecanismos de emparejamiento nuevos que combinen canales magnéticos, orbitales y de fonones.

Desde los primeros resultados sobre superconductividad bicapa a presión ambiente, investigadores del CSIC y la red española de materiales cuánticos se han incorporado progresivamente al esfuerzo internacional, junto a grupos de la Universidad de Stanford, el Instituto de Física de la Academia China de Ciencias, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, y múltiples instituciones europeas y japonesas. La estructura de colaboración necesaria —que integra químicos de síntesis, físicos de películas delgadas, especialistas en espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo, investigadores de microscopía túnel y teóricos de renormalización y funcional de la densidad— refleja la amplitud del problema: cada avance en uno de sus flancos reconfigura las restricciones de todos los demás.

Lo que la plataforma de nikelatos ha establecido, más allá de cualquier marca de temperatura de transición, es la prueba de concepto de una nueva clase de ciencia de materiales: el diseño deliberado de diagramas de fase cuánticos mediante el control de la geometría del retículo. La superficie de Fermi ha dejado de ser una propiedad fija que medir y aceptar; es una variable arquitectónica que diseñar. Tanto si este enfoque produce un superconductor a temperatura ambiente en la próxima década como si confirma la necesidad de una física radicalmente nueva, ha modificado de forma permanente el vocabulario conceptual del campo. La superconductividad fue durante mucho tiempo el dominio del descubrimiento. Hoy es, cada vez más, el dominio del diseño.

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