Superconduttore a temperatura ambiente: sintetizzato il primo

Un team di fisici di New York ha scoperto un materiale che conduce l’elettricità con perfetta efficienza a temperatura ambiente. Rappresenta una pietra miliare scientifica a lungo ricercata. Il composto di idrogeno, carbonio e zolfo funziona come un superconduttore fino a 15 °C, ha riferito il team su Nature. È una temperatura superiore rispetto al precedente record di superconduttività ad alta temperatura, stabilito lo scorso anno. “Questa è la prima volta che possiamo davvero affermare che è stata trovata la superconduttività a temperatura ambiente“, ha detto Ion Errea, un teorico della materia condensata presso l’Università dei Paesi Baschi in Spagna che non è stato coinvolto nel lavoro. Parliamo dunque del primo superconduttore a temperatura ambiente del mondo.

“È chiaramente un punto di riferimento“, ha affermato Chris Pickard, scienziato dei materiali presso l‘Università di Cambridge. “Questa è una stanza fredda, forse un cottage vittoriano britannico“, ha spiegato. Purtroppo questa soluzione non prevede l’utilizzo nelle linee elettriche senza perdite, treni ad alta velocità senza attrito e simili. Questo perché la sostanza superconduce a temperatura ambiente solo mentre viene schiacciata tra una coppia di diamanti a pressioni estreme di circa il 75% come quelle che si trovano nel nucleo della Terra.

“Le persone hanno sempre parlato di superconduttività a temperatura ambiente“, ha detto Pickard. “Potrebbero non aver apprezzato molto il fatto che quando l’abbiamo fatto, lo avremmo fatto a pressioni così elevate“. Gli scienziati dei materiali devono ora affrontare la sfida di scoprire un superconduttore che funziona non solo a temperature normali ma anche alle pressioni della nostra vita quotidiana. Alcune caratteristiche del nuovo composto fanno sperare che un giorno si possa trovare la giusta miscela di atomi.

Come funziona un superconduttore a temperatura ambiente?

La resistenza elettrica si verifica nei fili normali quando gli elettroni che fluiscono liberamente urtano gli atomi che compongono il metallo. Ma i ricercatori scoprirono nel 1911 che a basse temperature, gli elettroni possono indurre vibrazioni nel reticolo atomico di un metallo. Tali vibrazioni a loro volta riuniscono gli elettroni in coppie note come coppie di Cooper. Diverse regole quantistiche governano queste coppie, che fluiscono insieme in uno sciame coerente che attraversa il reticolo del metallo senza ostacoli, senza incontrare alcuna resistenza. Il fluido superconduttore espelle anche i campi magnetici. Si tratta di un effetto che potrebbe consentire ai veicoli a levitazione magnetica di fluttuare senza attrito sopra i binari superconduttori.

Quando la temperatura di un superconduttore aumenta, tuttavia, le particelle oscillano in modo casuale, interrompendo la delicata danza degli elettroni. I ricercatori hanno passato decenni alla ricerca di un superconduttore a temperatura ambiente il cui Cooper abbini il tango abbastanza strettamente da resistere al calore degli ambienti quotidiani. Nel 1968, Neil Ashcroft, un fisico allo stato solido alla Cornell University, propose che un reticolo di atomi di idrogeno avrebbe risolto il problema. La dimensione ridotta dell’idrogeno consente agli elettroni di avvicinarsi ai nodi del reticolo, aumentando le loro interazioni con le vibrazioni. La leggerezza dell’idrogeno consente inoltre a coloro che guidano le increspature di vibrare più velocemente, rafforzando ulteriormente la colla che lega le coppie di Cooper.

Le difficoltà riscontrate con i superconduttori

Sono necessarie pressioni incredibilmente elevate per schiacciare l’idrogeno in un reticolo metallico. Tuttavia, il lavoro di Ashcroft ha fatto sperare che un po’ di “idruro”, una miscela di idrogeno e un secondo elemento, potesse fornire la superconduttività dell’idrogeno metallico a pressioni più accessibili. I progressi sono decollati negli anni 2000. Cioè, quando le simulazioni di supercomputer hanno consentito ai teorici di prevedere le proprietà di vari idruri. L’uso diffuso di incudini di diamante compatto ha consentito ai ricercatori di spremere i candidati più promettenti per mettere alla prova il loro coraggio.

All’improvviso, gli idruri hanno iniziato a stabilire record. Un team in Germania ha dimostrato nel 2015 che una forma metallica di idrogeno solforato, un composto pungente trovato nelle uova marce, superconduce a -70° C al di sotto di 1,5 milioni di volte la pressione dell’atmosfera. Il laboratorio di Dias a Rochester ha ora infranto quei record. Guidato dall’intuizione e da calcoli approssimativi, il team ha testato una serie di composti dell’idrogeno alla ricerca del rapporto di riccioli d’oro dell’idrogeno.

Aggiungi una quantità insufficiente di idrogeno e un composto non supercondurrà con la stessa forza dell’idrogeno metallico. Aggiungine troppo e il campione si comporterà in modo troppo simile all’idrogeno metallico, metallizzando solo a pressioni che spezzeranno il tuo incudine di diamante. Nel corso della loro ricerca, il team ha eliminato molte dozzine di coppie di diamanti da 3.000 dollari. “Questo è il problema più grande della nostra ricerca, il budget dei diamanti“, ha detto Dias.

Le speranze per il futuro

La ricetta vincente si è rivelata un riff sulla formula 2015. I ricercatori hanno iniziato con idrogeno solforato, aggiunto metano (un composto di carbonio e idrogeno) e cotto la miscela con un laser. “Siamo stati in grado di arricchire il sistema e introdurre la giusta quantità di idrogeno necessaria per mantenere queste coppie di Cooper a temperature molto elevate“, ha detto Ashkan Salamat, collaboratore di Dias e fisico della materia condensata presso l’Università del Nevada, Las Vegas. Ma i dettagli fini della pozione di idrogeno-carbonio-zolfo che hanno preparato li sfuggono. L’idrogeno è troppo piccolo per essere mostrato nelle tradizionali sonde di struttura reticolare. Il team non sa, quindi, come sono disposti gli atomi, né conosce l’esatta formula chimica della sostanza.

Eva Zurek, una chimica computazionale all’Università di Buffalo, appartiene a un gruppo di teorici vagamente affiliati al laboratorio di Dias. All’inizio di quest’anno hanno previsto le condizioni in cui un metallo che potrebbe essersi formato tra gli incudini di diamante dovrebbe essere supercondotto. Hanno riscontrato un comportamento diverso. Sospetta che le alte pressioni abbiano invece trasformato la sostanza di Dias in una forma sconosciuta la cui superconduttività è particolarmente robusta.

Una volta che il gruppo di Dias riuscirà a capire esattamente cosa hanno tra le mani (i dettagli che lui e Salamat dicono arriveranno presto), i teorici costruiranno modelli esplorando le caratteristiche che danno a questa miscela di idrogeno-carbonio-zolfo il suo potere superconduttore. Questo dovrebbe consentire di apportare ulteriori modifiche.

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Fonte immagine copertina: Pixabay