Superconductividad: el hallazgo de autopistas cuánticas que podrían revolucionar la energía

Un equipo de la Penn State ha descubierto túneles cuánticos ocultos en los materiales que actúan como autopistas para los electrones. El hallazgo abre la puerta a superconductores más eficientes y a una futura revolución energética.

Por Enrique Coperías

Imagen conceptual de la teoría de los túneles cuánticos o superautopistas para electrones propuesta por investigadores de Penn State. Estos caminos invisibles, representados aquí como un flujo luminoso, permitirían que la corriente eléctrica se desplace sin resistencia, un fenómeno conocido como superconductividad. Imagen generada con DALL-E

La electricidad es el sistema nervioso de la sociedad moderna. Cada vez que encendemos una luz o cargamos un móvil, los electrones viajan por cables metálicos hasta su destino. Pero en ese viaje se pierde parte de la energía eléctrica en forma de calor, un derroche inevitable con la tecnología actual.

A no ser que consigamos lo imposible: que la corriente fluya sin resistencia eléctrica. Ese milagro de la física existe desde hace más de un siglo y se llama superconductividad, pero hasta ahora ha estado confinado a temperaturas extremas, imposibles de alcanzar en la vida diaria.

Pero para la ciencia nada es imposible. Un equipo de científicos de la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State), liderado por los ingenieros por Zi-Kui Liu y Shun-Li Shang, acaba de proponer una nueva forma de mirar este fenómeno.

Una megaautopista para que circulen los electrones

Su investigación, publicada en Superconductor Science and Technology en julio de 2025, plantea que la superconductividad surge cuando los electrones encuentran túneles unidimensionales invisibles —como autopistas cuánticas— dentro de los materiales superconductores.

Estos túneles pueden hacerse visibles mediante un tipo de simulación cuántica llamada teoría del funcional de la densidad (DFT). La metáfora más gráfica de este fenómeno la ofrece el propio Liu en un comunicado de la Penn State:

«Imagínate una superautopista solo para los electrones. Si hay demasiadas rutas, los electrones chocan y pierden energía. Pero si les das un túnel recto, como la Autobahn en Alemania, pueden viajar rápido y libremente sin resistencia».

La teoría BCS y sus límites

Hasta ahora, la explicación más aceptada para la superconductividad era la teoría Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), que sostiene que la superconductividad aparece cuando los electrones se agrupan en parejas —los llamados pares de Cooper— gracias a las vibraciones de los átomos en la red cristalina. Estos pares se mueven coordinadamente sin dispersarse, lo que permite que la electricidad fluya sin resistencia.

Esta teoría explica bien los metales convencionales superconductores que se vuelven superconductores a muy baja temperatura, como el plomo superconductor (7 K o –266,15 °C) o el aluminio superconductor (1,2 K o –271,95 °C).

Sin embargo, deja sin resolver por qué ciertos materiales de alta temperatura crítica, como los cupratos, alcanzan temperaturas cien veces mayores, o por qué algunos compuestos con hidrógeno bajo alta presión rozan ya la superconductividad a 250 K, o sea, a –23,15 °C.

Los túneles cuánticos, autopistas sin peajes

El concepto clave del estudio son las configuraciones superconductoras con ruptura de simetría (SCC). A partir de una configuración normal conductora (NCC), Liu y Shang introducen perturbaciones atómicas simuladas y observan cómo cambia la densidad de carga electrónica.

De esa diferencia emergen los túneles unidimensionales rectos o SODT, que actúan como vías rápidas para electrones o huecos.

En los superconductores convencionales, esos túneles están embebidos en la masa del material y se rompen fácilmente con las vibraciones térmicas, lo que explica las bajas temperaturas críticas. En cambio, en los superconductores de alta temperatura, como el YBa₂Cu₃O₇ (YBCO7), los túneles quedan protegidos dentro de una estructura laminar, como un puente flotante o pontón en aguas agitadas.

Predicciones sorprendentes

El equipo de Liu y Shang probó su método en dieciocho elementos puros, en el compuesto MgB₂ —un superconductor convencional de 39 K (–234,15 °C)— y en el cuprato YBCO7, que alcanza 88–93 K (unos –180,15 °C).

Los resultados confirmaron la aparición de túneles superconductores en la mayoría de superconductores conocidos. Pero también arrojaron sorpresas: cobre, plata y oro —metales nobles que nunca se han considerado superconductores a presión ambiente— mostraron indicios de estos túneles.

«Gracias a este enfoque podemos predecir qué materiales son superconductores antes de que alguien los fabrique o mida en el laboratorio», explica Liu.

La teoría de la zentropía

El trabajo de los físicos de la Penn State también enlaza con la llamada teoría de la zentropía, un marco teórico relativamente nuevo que combina mecánica estadística, física cuántica y modelado computacional para describir cómo cambian las propiedades electrónicas y estructurales de los materiales en función de la temperatura y de otros factores como la presión.

En este sentido, la superconductividad depende de cómo evoluciona el sistema desde el cero absoluto hasta temperaturas finitas.

La idea es que la teoría del funcional de la densidad permita identificar si un material es superconductor, y que la teoría de la zentropía se encargue de calcular la temperatura crítica de transición y cómo varía con la presión.

Los superconductores permiten que los electrones fluyan sin resistencia, como una autopista, lo que permite una energía más eficiente y dispositivos electrónicos avanzados. Imagen generada con Grok

Hoja de ruta para descubrir nuevos materiales superconductores

El proyecto, financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), tiene ahora dos grandes objetivos:

1️⃣ Aplicar la teoría de la zentropía para calcular cómo cambian las temperaturas críticas de superconductores bajo diferentes presiones.

2️⃣ Buscar en una base de datos de cinco millones de materiales candidatos con las propiedades adecuadas para la superconductividad, con la idea de colaborar con grupos experimentales que puedan verificar los más prometedores.

El coautor de este estudio Shun-Li Shang resume así la ambición del equipo: «no se trata solo de refinar teorías, sino de poner en marcha una máquina de descubrimiento de nuevos materiales superconductores. Si se logra, el impacto será doble: abrirá nuevos horizontes en ciencia básica y, al mismo tiempo, permitirá aplicaciones prácticas revolucionarias, desde redes eléctricas sin pérdidas hasta ordenadores cuánticos más estables».

Del mercurio superconductor al futuro energético

Han pasado 114 años desde que Heike Kamerlingh Onnes descubriera la superconductividad en el mercurio. Desde entonces, el fenómeno ha fascinado por igual a físicos teóricos e ingenieros, pero su aplicación masiva siempre se ha visto frenada por un obstáculo: la necesidad de temperaturas cercanas al cero absoluto.

Hoy, gracias a la combinación de simulaciones cuánticas y nuevas teorías estadísticas, un grupo de investigadores afirma haber encontrado la manera de mapear dónde y cómo aparecen las autopistas sin resistencia dentro de los materiales superconductores.

Como dice Liu, «No estamos solo explicando lo que ya sabemos. Estamos abriendo un camino para descubrir lo que aún no existe».▪️

• Información facilitada por la Penn Satate

• Fuente: Zi-Kui Liu and Shun-Li Shang. Revealing symmetry-broken superconducting configurations by density functional theory. Superconductor Science and Technology (2025). DOI: 10.1088/1361-6668/adedbc