Record mondiale di superconduttori a 15 °C
Ricercatori statunitensi sono riusciti a trasportare elettricità senza perdite a più gradi in un esperimento di laboratorio. Tuttavia, importanti domande sull'esperimento di superconduttività rimangono senza risposta.
Un team di ricercatori guidato da Ranga Dias dell'Università di Rochester, nello stato americano di New York, ha raggiunto questo obiettivo. Si tratta di [un risultato che farà il giro del mondo e che gli esperti considerano un'importante pietra miliare simbolica. "È difficile sopravvalutare il significato", afferma Alexander Goncharov del Carnegie Institution for Science, che non ha partecipato agli esperimenti. Anche la sua collega Lilia Boeri, dell'Università La Sapienza di Roma, è rimasta molto colpita: "È fantastico".
Cavi elettrici perfetti, treni galleggianti
La superconduttività è una promessa da più di 100 anni. Offre la prospettiva di cavi privi di resistenza elettrica. Potrebbero essere utilizzati per trasmettere l'elettricità su lunghe distanze senza perdite, e sono ipotizzabili anche microchip più economici e risonanze magnetiche più piccole. E dato che i superconduttori spostano i campi magnetici dal loro interno, alcuni tram probabilmente lasceranno il posto a un Transrapid.
Purtroppo, la natura non ha ancora trovato una soluzione.
Purtroppo, la natura ha finora ostacolato questi sogni. La maggior parte dei materiali perde la propria resistenza elettrica solo in prossimità dello zero assoluto, a meno 273 gradi Celsius. E anche i superconduttori "ad alta temperatura", come i cuprati contenenti rame, necessitano ancora di azoto liquido a circa meno 200 gradi come refrigerante - e di solito sono molto fragili.
Esiste però un trucco che rende superconduttori ad alte temperature anche i composti più semplici: se si applica una forte pressione alla loro superficie, il loro reticolo atomico cambia. Questo permette agli elettroni di comunicare attraverso vibrazioni mirate del reticolo. In questo modo, si uniscono per formare "coppie di Cooper" che si muovono attraverso il solido senza perdere energia - la superconduttività "convenzionale", che per molto tempo è stata conosciuta solo da materiali ultrafreddi.
Un team di Mainz guidato da Mikhail Eremets dell'Istituto Max Planck per la Chimica ha reso popolare il campo di ricerca della superconduttività ad alta pressione cinque anni fa. Gli scienziati hanno racchiuso all'epoca un minuscolo campione di zolfo e idrogeno (H3S) tra le punte di una pressa di diamante. A 100 gigapascal, un milione di volte la pressione dell'aria sulla Terra, il composto è diventato un superconduttore, nonostante una temperatura di meno 70 gradi.
Piano di costruzione di un superconduttore
"Quella è stata la vera pietra miliare", afferma Lilia Boeri. "Nel 2018, i ricercatori di Magonza hanno stabilito il prossimo record. In base a questo, il composto metallico decaidrato di lantanio (LaH10) è anche un conduttore perfetto se viene compresso con estrema forza. E questo a una temperatura relativamente calda di 13 gradi sotto lo zero.
L'aspetto notevole dei risultati di Magonza: I teorici avevano calcolato in anticipo che i composti avrebbero dovuto diventare superconduttori ad alta pressione. Con i superconduttori ad alta temperatura chimicamente complessi della famiglia dei cuprati o dei picnici a base di ferro, una tale previsione non era praticamente mai riuscita.
Il segreto della superconduttività
A temperatura ambiente, gli atomi si agitano continuamente. Gli elettroni che si muovono in un solido sono quindi costantemente rallentati e perdono energia. Maggiore è la quantità di moto che perdono, maggiore è la resistenza elettrica di un materiale.
I reticoli atomici si fermano solo in prossimità dello zero assoluto (meno 273,15 gradi Celsius). Gli elettroni di conduzione possono quindi deformare facilmente il loro ambiente nel solido. Questo provoca la propagazione di vibrazioni nel reticolo, che aprono la strada ad altri elettroni. Secondo la teoria BCS formulata nel 1957, i portatori di carica si uniscono per formare "coppie di Cooper", che possono sfrecciare attraverso il solido senza alcuna resistenza elettrica.
Al livello più basso della scala di temperatura, questo avviene automaticamente per molti elementi della tavola periodica, sia per il litio che per il piombo. Nel 1986, tuttavia, i fisici si sono resi conto che la superconduttività in alcuni composti chimici persiste anche a temperature molto più elevate. Questi cuprati sono costituiti da una manciata di tipi diversi di atomi le cui influenze fisiche quantistiche si sommano quanto basta per guidare gli elettroni in modo elegante attraverso il reticolo.
Tuttavia, i meccanismi esatti di questa superconduttività "non convenzionale" sono ancora sconosciuti; i ricercatori ipotizzano una complessa interazione tra carica, spin, movimento orbitale e vibrazioni del reticolo. Per questo motivo sono alla ricerca di materiali più semplici che rimangano superconduttori ad alte temperature. Dal 2015, gli esperti si affidano sempre più alle presse a diamante, che comprimono enormemente i campioni di materiali contenenti idrogeno. Questo cambia le proprietà dei reticoli atomici e, in alcuni casi, porta alla classica superconduttività BCS, altrimenti conosciuta solo da corpi estremamente freddi.
Questo è il motivo per cui le presse di diamante sono state utilizzate per la ricerca di materiali più semplici e che rimangono superconduttori ad alte temperature.
Questo è il motivo per cui gli esperimenti di pressatura del diamante hanno fatto subito sognare a molti ricercatori l'obiettivo finale della loro disciplina: un superconduttore che funzioni ancora a temperatura ambiente, intorno ai 20 gradi Celsius. In effetti, i teorici con il supporto del computer hanno identificato tutta una serie di coppie di elementi la cui "temperatura di transizione" dovrebbe essere vicina a questo limite simbolico. Da allora, diversi laboratori in tutto il mondo si sono impegnati a trasformare le previsioni in realtà.
Ranga Dias e i suoi collaboratori sono stati in grado di trovare un equilibrio tra la temperatura di transizione e la temperatura ambiente.
Ranga Dias e il suo team sembrano aver messo a segno un colpo sotto due aspetti. Non solo il record di 15 gradi rientra chiaramente nell'intervallo di temperatura ambiente definito in modo piuttosto approssimativo dai fisici. Con la loro misurazione, i ricercatori statunitensi sono anche entrati nel regno dei composti a tre elementi. In particolare, hanno mescolato il metano (CH4) nel loro contenitore di campioni riempito di idrogeno solforato, aggiungendo così un po' di carbonio al mix. Quando è stata compressa nella pressa a diamante, la miscela di gas si è trasformata in un metallo superconduttore.
"All'inizio non credevo nemmeno io al risultato, ma ora ne siamo certi", afferma Dias. Alla fine, il giovane assistente universitario ha effettuato l'esperimento più di 30 volte, misurando ogni volta la resistenza elettrica e il senso magnetico del campione. Nel farlo, probabilmente voleva anche evitare che si ripetesse un'esperienza del 2017: allora, lui e il suo collega più anziano Isaac Silvera avevano pubblicato un po' frettolosamente indicazioni su una fase metallica dell'idrogeno puro che sarebbe stata qualcosa di simile all'ultimo superconduttore. Ad oggi, però, le misurazioni di allora non sono state riprodotte, il che è valso a Dias e Silvera molte critiche.
Nell'espresso attraverso la peer review
Questa volta, le cose sembrano migliori a prima vista, confermano tutti gli esperti contattati da "Spektrum.de". Tuttavia, anche l'attuale pubblicazione doveva essere fatta in fretta: a causa dell'enorme concorrenza nel settore, Dias ha richiesto una peer review extra veloce alla rivista specializzata "Nature", afferma Dias. Ha inviato il manoscritto alla fine di agosto. Ci sono volute solo sei settimane per la pubblicazione dell'articolo, un periodo di tempo insolitamente breve.
"È difficile che il lavoro sia stato pubblicato in un modo o nell'altro".
"È difficile immaginare che in questo lasso di tempo si sia svolta un'accurata revisione paritaria", critica Graeme Ackland dell'Università di Edimburgo. A prima vista, lo studio sembra essere abbastanza solido, ma alcune importanti domande rimangono senza risposta. Bernhard Keimer, direttore del Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda, è dello stesso parere. "In realtà non sappiamo di che tipo di materiale si tratti", dice.
Ad oggi non è assolutamente chiaro quale struttura reticolare formino gli atomi di zolfo, idrogeno e carbonio nel minuscolo contenitore utilizzato da Dias e dal suo team. Il precedente detentore del record, LaH10, era diverso: i calcoli hanno dimostrato che gli atomi di idrogeno formano una sorta di gabbia intorno all'atomo straniero più pesante. Questo crea un reticolo simmetrico che assomiglia a quello dell'idrogeno metallico.
Tre è meglio di due
Nel complesso di atomi di C, S e H dell'esperimento di Dias, invece, è più probabile che qualcos'altro favorisca la superconduttività: È possibile che i tre elementi formino legami "covalenti" estremamente stabili sotto pressione, che rendono il reticolo atomico molto rigido. Di conseguenza, le vibrazioni potrebbero facilmente propagarsi attraverso il materiale, facendo incontrare gli elettroni per formare coppie di Cooper. Questo è certamente il caso dell'H3S, che è salito sul podio nel 2015.
Resta da vedere se questo spiega anche la superconduttività del nuovo detentore del record. Le misurazioni in cui i raggi X vengono dispersi dal campione avrebbero potuto fare luce su questo aspetto, afferma Mikhail Eremets, concorrente di Mainz. "È un mistero perché il team non abbia pubblicato tali dati".
Ranga Dias si giustifica dicendo che tali misurazioni non sono significative per i composti C-S-H e sono generalmente sovrastimate negli esperimenti di pressatura del diamante. Secondo lui, lui e il suo team stanno lavorando a un altro metodo a raggi X che dovrebbe consentire di trarre conclusioni sulla struttura atomica del campione.
In un modo o nell'altro, i teorici dovrebbero ora mettersi al lavoro. Nei prossimi mesi, infatti, dovranno analizzare al computer diverse configurazioni di reticolo atomico per vedere quali di esse sono in grado di riprodurre i risultati dell'esperimento di Rochester. "Questa è la prossima gara", dice Lilia Boeri.
In cammino verso il prossimo record
La Boeri è convinta che nei prossimi anni seguiranno altri record di superconduttività a temperatura ambiente. Questo perché i ricercatori hanno appena iniziato a lavorare su composti di idruri formati da tre elementi. La tavola periodica offre un totale di 1770 combinazioni possibili.
Uno di questi, ad esempio, NH3BH3, composto da boro, idrogeno e azoto, potrebbe essere un superconduttore all'incredibile temperatura di 280 gradi Celsius. Almeno questo è il risultato di una misurazione che un altro gruppo statunitense ha affermato di essere riuscito a effettuare nell'estate del 2020. Tuttavia, poiché il team ha dovuto interrompere le misurazioni a causa del blocco di Covid-19, il risultato è considerato preliminare. Tuttavia, gli esperti ritengono che dimostri il potenziale di questo campo di ricerca.
In generale, gli esperti sperano che alcuni dei composti a tre elementi si rivelino superconduttori a temperatura ambiente più facili da pulire, ovvero che mantengano le loro speciali proprietà anche a basse pressioni. "Nella loro forma attuale, bloccati in una pressa a diamante, i materiali non sono certamente adatti a qualsiasi applicazione", afferma Bernhard Keimer.
Anche Ranga Dias ne è consapevole. Tuttavia, ha recentemente fondato una società per guadagnare con la sua scoperta. Non c'è ancora un piano aziendale, dice. Ma le cose potrebbero cambiare se lui e il suo team continueranno a fare esperimenti.
La storia della superconduttività è però una storia di aspettative deluse. Anche quando il cuprato fu scoperto alla fine degli anni '80, alcuni ricercatori erano convinti che l'era dei tram levitanti fosse dietro l'angolo. Alla fine, le cose si sono rivelate molto più complicate del previsto.
E così molti ricercatori sono convinti che l'era dei tram levitanti sia dietro l'angolo.
E così molti ricercatori sono piuttosto scettici quando si parla di un superconduttore che compie la sua magia anche a temperatura ambiente e senza pressione esterna aggiuntiva. "Penso che alla fine troveremo un materiale che possa essere utilizzato bene a pressione normale e a meno 100 gradi", dice Lilia Boeri. Questo sarebbe sufficiente per alcune applicazioni speciali, ma probabilmente non per la grande rivoluzione dei materiali.
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](https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z)
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