SODIO E HIDRÓGENO, UN SUPERCONDUCTOR SOBRE EL PAPEL

Un superconductor conduce la corriente eléctrica sin ninguna resistencia por debajo de una temperatura crítica, Tc. En los materiales ricos en hidrógeno, las cifras récord son espectaculares: el H₃S y el LaH₁₀ superconducen por encima de 200 kelvin. Pero solo lo hacen comprimidos a cerca de un megabar, aproximadamente un millón de veces la presión atmosférica. El reto es conseguir el mismo rendimiento a menor presión.

El hidrógeno ayuda porque es ligero: sus átomos vibran a frecuencias muy altas, y esas vibraciones pueden unir los electrones en los pares que transportan la supercorriente. En muchos de los mejores hidruros, el hidrógeno ya no forma moléculas de H₂. Los compuestos en los que el hidrógeno sigue emparejado se han considerado durante mucho tiempo malos candidatos, porque el fuerte enlace dentro de cada par saca a sus electrones del juego.

Un compuesto hallado buscando

Tianran Chen, de la Universidad de Tennessee, y Taner Yildirim, del Centro de Investigación de Neutrones del NIST, ya habían señalado el hexahidruro de sodio, NaH6, en una búsqueda por ordenador entre más de 100 000 estructuras ricas en hidrógeno. Un estudio independiente también le había pronosticado una Tc alta. Aquí lo examinaron a fondo, íntegramente mediante cálculos:

un algoritmo evolutivo para encontrar las disposiciones cristalinas más favorables a cada presión;
cálculos cuánticos de los electrones, las vibraciones atómicas y su acoplamiento, que dan la Tc mediante una fórmula estándar;
dinámica molecular a 300 kelvin, para comprobar que las estructuras se mantienen cuando los átomos se agitan.

No se sintetizó ni se midió ninguna muestra.

Dos cristales, dos comportamientos

Los cálculos revelan un panorama abarrotado: a 50 gigapascales hay 15 estructuras estables distintas, la mayoría primas cercanas de dos formas principales. En ambas, el hidrógeno se encuentra en pares ligeramente estirados.

Se predice que la forma cúbica superconduce hasta 230 kelvin a 50 gigapascales (unos −43 °C a medio megabar), y todavía a 215 kelvin a 200 gigapascales.
La forma romboédrica se mantiene estable hasta 10 gigapascales, donde su Tc prevista es de 34 kelvin. Al comprimirla, la Tc sube rápido: 99 kelvin a 50 gigapascales, 157 a 90, unos 1,6 kelvin por gigapascal.

Hay una pega que los autores explican con claridad. A 50 gigapascales, la forma cúbica de 230 kelvin no es la disposición más estable: se sitúa ligeramente por encima de la energía necesaria para descomponerse en hidruro de sodio más simple e hidrógeno. Solo resulta estable frente a esa descomposición por encima de 60 gigapascales, y las dos formas se intercambian cerca de 114 gigapascales. En dinámica molecular a 300 kelvin, la forma cúbica se mantiene intacta, durante unas pocas billonésimas de segundo.

Hidrógeno emparejado que ayuda

El hallazgo más insólito es el mecanismo. Los pares no bloquean la superconductividad. Cada vibración que se acopla con fuerza a los electrones es una que aparecería en la espectroscopia Raman, una técnica de laboratorio común; las demás apenas se acoplan. Al revisar otros 102 hidruros a 200 gigapascales, los autores encontraron el mismo patrón: las vibraciones activas en Raman se acoplan de media unas 40 veces más que el resto.

En la forma romboédrica, la presión inclina los pares de hidrógeno, de 4 grados a 10 gigapascales a 21 grados a 90. A medida que se inclinan, las vibraciones clave se acoplan con más fuerza, al mismo ritmo que sube la Tc, mientras que la estructura electrónica apenas cambia. Un modelo geométrico sencillo reproduce esta tendencia, aunque los autores subrayan que es una interpretación, no una prueba.

De la pantalla al laboratorio

Son predicciones. Las temperaturas calculadas dependen de un parámetro estándar pero ajustable, y 50 gigapascales siguen siendo alrededor de medio millón de atmósferas. Si se confirma, el NaH6 demostraría que la orientación de los pares de hidrógeno es un nuevo mando para diseñar superconductores de hidruros. La próxima palabra la tienen los experimentadores.