Il record di superconduttività ad alta temperatura è stato nuovamente battuto

La superconduttività è lo strano fenomeno della resistenza elettrica zero che si verifica quando alcuni materiali vengono raffreddati al di sotto di una temperatura critica. I migliori superconduttori devono essere raffreddati con elio liquido o azoto per essere sufficientemente freddi (spesso fino a -250 ° C o -480 F) per funzionare. Il Santo Graal per i ricercatori è l'idea che un materiale possa essere reso superconduttore a circa 0 °C, la cosiddetta superconduttività a temperatura ambiente. Se una cosa del genere venisse mai scoperta, scatenerebbe un'ampia gamma di nuove tecnologie, inclusi computer super veloci e trasferimento di dati.

La storia della superconduttività è disseminata di dubbie affermazioni di attività ad alta temperatura che in seguito si rivelano impossibili da riprodurre. In effetti, i fisici hanno un nome per questo: USOs, o oggetti superconduttori non identificati.

Quindi le nuove affermazioni sulla superconduttività ad alta temperatura devono essere trattate con cautela. Detto questo, vale la pena dare un'occhiata più in dettaglio alla notizia di oggi che il record di superconduttività ad alta temperatura è stato infranto.

Il lavoro proviene dal laboratorio di Mikhail Eremets e colleghi del Max Planck Institute for Chemistry di Mainz, in Germania. Eremets e i suoi colleghi affermano di aver osservato l'idruro di lantanio (LaH10) superconduttore alla temperatura soffocante di 250 K, o -23 ° C.

È più caldo della temperatura attuale al Polo Nord. Il nostro studio fa un balzo in avanti sulla strada della superconduttività a temperatura ambiente, afferma il team. (L'avvertenza è che il campione deve essere sottoposto a una pressione enorme: 170 gigapascal, o circa la metà della pressione al centro della Terra.)

Eremets ha un pedigree abbastanza impressionante in questo campo. Lettori di lunga data di questo blog ricorderà quando ha infranto il precedente record di superconduttività ad alta temperatura nel 2014 . In quell'occasione, il suo team è stato in grado di misurare l'attività superconduttrice nell'idrogeno solforato a –80 °C, circa 10 gradi più caldo di qualsiasi altro materiale. In seguito lo alzò a –70 °C e pubblicò il lavoro su Nature ottenendo un enorme successo.

Ma la sorpresa sbalorditiva per i fisici è stata la natura del materiale superconduttore.

La superconduttività è ben compresa nei superconduttori convenzionali, che sono reticoli rigidi di ioni positivi immersi in un oceano di elettroni. La resistenza elettrica si verifica quando gli elettroni che si muovono attraverso il reticolo vengono rallentati urtando contro di esso, mentre la superconduttività si verifica quando il reticolo viene raffreddato a un punto in cui diventa abbastanza rigido da consentire alle onde sonore meccaniche, o fononi, di incresparsi attraverso. Queste onde deformano il reticolo mentre viaggiano. E gli elettroni possono navigare su questa deformazione.

Infatti, a bassa temperatura, gli elettroni si legano tra loro per formare le cosiddette coppie di Cooper. E sono queste coppie di Cooper che navigano attraverso il reticolo che costituisce la superconduttività.

All'aumentare della temperatura, le coppie di Cooper si rompono e la superconduttività si interrompe. Questo cambiamento avviene a quella che viene chiamata temperatura critica.

Prima del 2014, la temperatura critica più alta per questo tipo di superconduttività era di circa 40 K o –230 °C. In effetti, molti fisici ritenevano impossibile che questo tipo di superconduttività funzionasse a temperature più elevate.

Ecco perché l'annuncio di Eremets è stato così straordinario: l'idrogeno solforato è un superconduttore convenzionale che si comporta in un modo che molte persone ritenevano impossibile.

(Nel 1986, i fisici hanno scoperto una forma completamente diversa di superconduttività nei materiali ceramici a 180 K o –90 ° C. Questo non è ancora ben compreso e sono stati fatti pochi progressi nell'aumentare la temperatura.)

La scoperta di Eremets ha innescato un febbrile attacco di attività teorica per spiegare come si verifica la superconduttività. Il consenso è che nell'idrogeno solforato, gli ioni idrogeno formano un reticolo che trasporta coppie di Cooper con resistenza zero quando la temperatura scende al di sotto di un livello critico.

Questo può accadere ad alta temperatura perché l'idrogeno è così leggero. Ciò significa che il reticolo può vibrare ad alta velocità e quindi ad alta temperatura. Ma anche il reticolo deve essere tenuto saldamente in posizione, per evitare che le vibrazioni lo lacerino. Ecco perché la superconduttività funziona solo ad alta pressione.

Da allora, c'è stato un considerevole lavoro teorico e computazionale per prevedere altri materiali che potrebbero supercondurre in questo modo ad alta temperatura. Uno dei probabili candidati è stato l'idruro di lantanio, quello su cui hanno lavorato Eremets e colleghi.

La scoperta che superconduce a 250 K è una vittoria non solo per Eremets e il suo team, ma anche per i metodi teorici che l'hanno predetta. Questo salto, di ~ 50 K, dal precedente record di 203 K indica la reale possibilità di raggiungere la superconduttività a temperatura ambiente (cioè a 273 K) nel prossimo futuro ad alte pressioni, affermano Eremets e co.

C'è ancora del lavoro da fare, tuttavia. I fisici richiedono tre prove separate per essere convinti che la superconduttività stia effettivamente avvenendo. Il primo è il caratteristico calo della resistenza al diminuire della temperatura. Eremets ha questo.

Il secondo prevede la sostituzione degli elementi nel campione con isotopi più pesanti. Ciò fa vibrare il reticolo a una velocità diversa e cambia di conseguenza la temperatura critica. Anche Eremets e compagni hanno questa prova, avendo sostituito l'idrogeno nei loro campioni con il deuterio e visto la temperatura critica scendere a 168 K, proprio come previsto.

Il terzo filone di prova è chiamato effetto Meissner: un superconduttore dovrebbe espellere qualsiasi campo magnetico. È qui che Eremets e compagni hanno lottato. I loro campioni sono così piccoli - solo pochi micrometri di diametro e si trovano all'interno di celle di incudine di diamante ad alta pressione - che i ricercatori non sono ancora stati in grado di misurarlo direttamente, sebbene abbiano qualche altra prova magnetica.

Senza questa firma finale, i fisici potrebbero trattenere il loro pieno abbraccio. Ma è sicuramente qualcosa per cui il team sta lavorando duramente.

Nel frattempo, il lavoro apre alcune ovvie altre strade da perseguire. I modelli computazionali suggeriscono che i superidridi di ittrio potrebbero essere superconduttori a temperature superiori a 300 K, la vera temperatura ambiente (sebbene solo a pressioni che si trovano più comunemente al centro della Terra).

Quindi i superconduttori a temperatura ambiente di una forma o dell'altra potrebbero non essere affatto lontani. La domanda allora sarà come sfruttarli al meglio.

Rif: arxiv.org/abs/1812.01561 : Superconduttività a 250 K in idruro di lantanio ad alte pressioni

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