Cuando se descubrieron los superconductores en 1911, los científicos responsables del hallazgo avisaron que tenían algunas limitaciones. Por ejemplo, no se podían conseguir superconductores en los que los electrones fluyeran en una sola dirección. Inicialmente esto no parecía un problema. No obstante, cuando se descubrieron los superordenadores, el hecho de que esto fuese imposible resultó convertirse en un fastidio. Aunque solo hasta ahora, pues un equipo de científicos de la Universidad Técnica de Delft acaba de demostrar que era difícil, pero no imposible. De hecho, ellos han conseguido desarrollar superconductores unidireccionales a nivel nanométrico

Es cierto que todavía falta comprobar si se puede extrapolar a chips de mayor tamaño para su uso en superordenadores. Sin embargo, el simple hecho de haber podido guiar los electrones de sus superconductores en una sola dirección ya es un grandísimo logro que marca un antes y un después en la era de la superconducción. ¿Y por qué no? Posiblemente también en la de la supercomputación.

Y es que gracias a los superconductores se puede transportar la energía sin pérdidas, lo cual no solo puede ayudar a mejorar las comunicaciones u obtener superordenadores muchísimo más rápidos. También sería una opción mucho más respetuosa con el planeta. Es más, según explican los autores del estudio que se acaba de publicar en Nature en un comunicado, el uso de superconductores en lugar de los semiconductores tradicionales podría proteger hasta el 10% de todas las reservas de energía occidentales. Es otro buen motivo para perfeccionarlos como han hecho estos científicos.

¿Qué son los superconductores?

Los superconductores son aquellos que pueden conducir una corriente eléctrica sin resistencia y, por lo tanto, sin pérdidas de energía.

Los semiconductores que se usan habitualmente en los cables, como el cobre o la plata, presentan cada vez menos resistencia a medida que se disminuye la temperatura. Sin embargo, contienen impurezas que impiden que dicha resistencia llegue a 0.

Sin embargo, en 1911 el físico holandés Kamerlingh Onnes descubrió que existen materiales en los que, una vez que se enfrían lo suficiente, sí que se logra que la resistencia desaparezca. Eso supone que la corriente puede fluir sin pérdidas de energía, sin necesidad de carga. Pero también conlleva problemas, ya que esa libertad con la que fluyen los electrones hace imposible que se puedan canalizar para viajar en una sola dirección. 

¿Y los superordenadores?

Mucho después de aquel gran descubrimiento, en la década de 1970, el ingeniero estadounidense Seymour Cray diseñó los primeras superordenadores. Estos son dispositivos con un rendimiento mucho mayor que el de los ordenadores convencionales.

De hecho, en 2021 se logró poner en marcha un superordenador que trabajaban a más de 415 petaflops. El flop es una unidad que se usa para medir la cantidad de operaciones que realiza por segundo un dispositivo. En este caso, por lo tanto, estaba realizando más de 1.000 billones por segundo.

Los primeros superordenadores se desarrollaron en los 70 del siglo XX

Esto es muy útil para realizar cálculos de una forma muy rápida y precisa, de ahí que sean máquinas útiles en multitud de aplicaciones, desde la realización de modelos climáticos, hasta la modelización estelar, pasando por la medicina y el testeo de la aerodinámica de los aviones militares.

Esta gran velocidad, de nuevo, se consiguió enfriando la unidad central de procesamiento (CPU) de los ordenadores hasta temperaturas muy bajas. Así se disminuía la resistencia eléctrica y las pérdidas de energía, de modo que se podía optimizar el funcionamiento de los ordenadores. Lógicamente, sus desarrolladores pensaron en los superconductores que se habían descubierto varias décadas antes. Sin embargo, la bidireccionalidad de la corriente eléctrica hacía imposible su uso. 

The Cray XC40 supercomputing system

La satisfacción de conseguir lo imposible

Es cierto que lograr la unidireccionalidad en los superordenadores era imposible. Pero solo si se usaban materiales que obedecieran a las leyes de la física tradicionales. La cosa cambiaba si se introducía la física cuántica en escena.

Por eso, el equipo del físico Mazhar Ali decidió usar un material cuántico llamado Nb3Br8. Según cuenta este científico en una entrevista para el comunicado publicado por su universidad, este es “un material 2D como el grafeno, que ha sido teorizado para albergar un dipolo eléctrico neto”. 

Este gran reto se logró utilizando materiales cuánticos

Precisamente lo que consiguen estos dipolos es orientar la corriente en una dirección marcada por un campo eléctrico. Por eso, decidieron usarlo como barrera y colocarlo entre dos superconductores. 

Y, como habían predicho, lograron que, a pesar de seguir comportándose como superconductores, estos llevaran la corriente en una sola dirección. Aún sin pérdida de energía. Estaban ante algo que sí que podría funcionar con superordenadores.

La era de la superconducción

En ciencia es muy importante que un estudio sea reproducible. Es decir, que lo que se consigue en un experimento pueda ser replicado por otros científicos en otro lugar. Por eso, según cuenta Ali, fabricaron muchos dispositivos, desde cero, con diferentes lotes de materiales. 

“Encontramos las mismas propiedades cada vez, incluso cuando se miden en diferentes máquinas en diferentes países por diferentes personas. Esto nos dijo que el resultado del diodo provenía de nuestra combinación de materiales y no de algún resultado espurio de suciedad, geometría, error o interpretación de la máquina o del usuario”.

Mazhar Ali, físico y autor del estudio

La única limitación es que, de momento, este procedimiento se ha llevado a cabo a escala nanométrica (muy pequeña). Por eso, su siguiente paso será comprobar si se puede escalar hasta el tamaño necesario para fabricar chips que puedan usarse en superordenadores. 

Además, deben buscar la forma de trabajar a una temperatura un poco más alta, al menos por encima de los 77K (-196ºC), para poder refrigerar fácilmente con ayuda de nitrógeno líquido. 

Si consiguen estos dos pasos, estaríamos ante la verdadera era de los superconductores. Ya han logrado un imposible. Esos dos factores son complicados, pero hay motivos suficientes para confiar en que lo consigan.