El verano de la superconductividad a temperatura ambiente duró poco. Comenzó con algunos manuscritos colocados en arXiv a finales de julio, que supuestamente describían cómo sintetizar un compuesto llamado LK-99, que actuaría como superconductor a temperaturas superiores al punto de ebullición del agua. Lo suficientemente alto como para que, si su síntesis y las propiedades del material funcionaran, podría permitirnos reemplazar los metales con superconductores en una amplia gama de aplicaciones.
Rápidamente siguió la confusión, ya que la naturaleza de la sustancia química involucrada hacía difícil saber cuándo se observaba el comportamiento de LK-99 y cuándo se observaban sustancias químicas relacionadas o incluso impurezas.
Pero la comunidad científica de materiales respondió con sorprendente rapidez. A finales de agosto se habían preparado muestras puras, se había explorado el papel de las impurezas y se había llegado a un fuerte consenso: LK-99 no era un superconductor. Lo mejor de todo es que el trabajo proporcionaba explicaciones de por qué se había comportado un poco así en varias situaciones.
Una sustancia química compleja
Como comentamos en detalle en nuestra historia vinculada anteriormente, LK-99 es una sustancia química complicada. Es en gran parte un cristal de fosfato de plomo, pero algunos de los átomos de plomo son desplazados por el cobre. La cantidad de átomos de cobre presentes no sólo puede variar de una preparación a otra; potencialmente pueden variar entre diferentes áreas del mismo cristal. Su fórmula química es técnicamente Pb.10xCuX(CORREOS4)6O, donde la x representa el número desconocido de reemplazos.
También es lo que se llama un material policristalino, lo que significa que un solo trozo puede ser un compuesto de múltiples cristales con diferentes orientaciones. Entonces, para cualquier propiedad que dependa de la orientación del cristal, es fácil terminar examinando una combinación de comportamientos de múltiples cristales individuales.
Finalmente, la preparación de LK-99 descrita en el informe inicial lo produjo mediante una reacción química, dejando abierta la posibilidad de que existieran contaminantes o subproductos que afectaran las mediciones de sus propiedades.
Esta última posibilidad resultó ser la clave para explicar una de las propiedades reportadas de LK-99: una transición brusca en su capacidad para conducir corriente que ocurrió justo por encima del punto de ebullición del agua.
Prashant Jain es profesor en el Departamento de Química de la Universidad de Illinois y ha recibido financiación para trabajar con sulfuro de cobre desde 2011. Notó dos cosas críticas sobre los informes iniciales de LK-99. Una es que las reacciones utilizadas para producirlo podrían producir sulfuro de cobre como producto adicional. La segunda es que la temperatura donde supuestamente LK-99 comenzó a ser superconductor (104° C) es también la temperatura donde el sulfuro de cobre sufre una transición de fase.
Cambio de fase y conductividad.
En un manuscrito depositado en arXiv, Jain describe en detalle esta complicada transición de fase. Por encima de 104 °C, el sulfuro de cobre permanece sólido pero se vuelve más desordenado, lo que permite que los iones que lo constituyen se muevan más fácilmente, aumentando algo su conductividad. Pero Jain señala que las cosas se complican más cuando el material se expone al aire, ya que el oxígeno puede reaccionar con parte del cobre y sacarlo de la estructura de sulfuro de cobre.
Esto crea «agujeros» cargados en la estructura del sulfuro de cobre, que también pueden conducir electricidad. Y lo hacen de manera mucho más efectiva en la etapa ordenada del cristal que se forma por debajo de los 104° C. Si bien estos dos efectos pueden compensarse entre sí, los agujeros son mucho más efectivos para conducir la corriente, por lo que este efecto domina, lo que lleva a una conductividad mucho mayor. por debajo de 104° C, un efecto similar al atribuido al inicio de la superconductividad.