Il superconduttore che funziona a temperatura terrestre

Il mondo della superconduttività è in subbuglio. L'anno scorso, Mikhail Eremets e un paio di amici del Max Planck Institute for Chemistry di Mainz, in Germania, hanno fatto la straordinaria affermazione di aver visto l'idrogeno solforato superconduttore a -70 °C. È circa 20 gradi più caldo di qualsiasi altro materiale, un enorme aumento rispetto al record attuale.

I seguaci di questo blog lo faranno ho letto di questo lavoro lo scorso dicembre , quando è stato pubblicato per la prima volta in arXiv. A quel tempo, i fisici erano cauti riguardo al lavoro. La storia della superconduttività è disseminata di dubbie affermazioni di attività ad alta temperatura che in seguito si rivelano impossibili da riprodurre.

Ma nei mesi trascorsi da allora, Eremets e compagni hanno lavorato duramente per evocare le prove finali conclusive. Poche settimane fa, il loro articolo è stato finalmente pubblicato sulla rivista peer reviewed Natura , dandogli il timbro di rispettabilità richiesto dalla fisica tradizionale. Improvvisamente, la superconduttività è tornata in prima pagina.

Oggi Antonio Bianconi e Thomas Jarlborg del Rome International Center for Materials Science Superstripes in Italia forniscono una rassegna di questo entusiasmante campo. Questi ragazzi offrono una panoramica della scoperta di Eremet e compagni e un trattamento del lavoro teorico che tenta di spiegarlo.

Innanzitutto, un po' di background. La superconduttività è il fenomeno della resistenza elettrica zero che si verifica in alcuni materiali quando vengono raffreddati al di sotto di una temperatura critica.

Questo fenomeno è ben compreso nei superconduttori convenzionali, che sono essenzialmente reticoli rigidi di ioni positivi immersi in un mare di elettroni. La resistenza elettrica si verifica perché gli elettroni urtano questo reticolo e perdono energia mentre si muovono attraverso di esso.

Tuttavia, a basse temperature gli elettroni possono legarsi tra loro per formare coppie di Cooper. Allo stesso tempo, il reticolo diventa abbastanza rigido da consentire il movimento coerente delle onde chiamate fononi.

La superconduttività si verifica quando le coppie di Cooper e i fononi viaggiano insieme attraverso il materiale, le onde essenzialmente aprono la strada alle coppie di elettroni. E si rompe quando le vibrazioni nel reticolo - la sua temperatura - diventano abbastanza forti da rompere le coppie di Cooper. Questa è la temperatura critica.

Fino a poco tempo, la temperatura critica più alta di questo tipo era di circa 40 kelvin o -230 gradi centigradi.

Ci sono essenzialmente tre caratteristiche che i fisici cercano come prova che un materiale superconduce. Il primo è un improvviso calo della resistenza elettrica quando il materiale viene raffreddato al di sotto di questa temperatura critica. Il secondo è l'espulsione dei campi magnetici dall'interno del materiale, fenomeno noto come effetto Meissner.

Il terzo è un cambiamento nella temperatura critica quando gli atomi nel materiale vengono sostituiti con isotopi. Questo perché la differenza nella massa dell'isotopo fa vibrare il reticolo in modo diverso, il che cambia la temperatura critica.

Ma c'è un altro tipo di superconduttività che è molto meno ben compreso. Ciò coinvolge alcune sostanze ceramiche scoperte negli anni '80 che superconducono fino a temperature di circa -110 gradi centigradi. Nessuno capisce davvero come funzioni, ma gran parte della ricerca nella comunità della superconduttività si è concentrata su questi materiali esotici.

È probabile che il lavoro di Eremet e co cambi questo. Forse la sorpresa più grande della loro svolta è che non coinvolge un superconduttore ad alta temperatura. Invece, l'idrogeno solforato è un normale superconduttore del tipo che non era mai stato visto funzionare a temperature superiori a circa 40 kelvin.

Eremet e compagni hanno realizzato il loro trucco comprimendo il materiale al tipo di pressioni che esistono solo al centro della terra. Allo stesso tempo, sono riusciti a trovare prove di tutte le caratteristiche importanti della superconduttività.

Mentre tutto questo lavoro sperimentale è in corso, i teorici si sono scervellati su come spiegarlo. Molti fisici credevano che ci fosse qualche ragione teorica per cui i superconduttori convenzionali non possono funzionare al di sopra di circa 40 kelvin. Ma in realtà non c'è nulla nella teoria che impedisca la superconduttività a temperature più elevate.

Infatti, negli anni '60, il fisico britannico Neil Ashcroft predisse che l'idrogeno avrebbe dovuto essere in grado di supercondurre a temperature e pressioni elevate, forse anche a temperatura ambiente. La sua idea era che l'idrogeno fosse così leggero da formare un reticolo in grado di vibrare a frequenze molto elevate e quindi di superconduttore a temperature e pressioni elevate.

La scoperta di Eremet e compagni sembra essere una rivendicazione di questa idea. O almeno, qualcosa del genere. Ci sono numerose pieghe teoriche che devono essere appianate prima che i fisici possano dire di avere una corretta comprensione di cosa sta succedendo. Questo lavoro teorico è in corso.

Ora è iniziata la corsa alla ricerca di altri superconduttori che funzionino a temperature ancora più elevate. Un candidato promettente è H3S (al contrario di H2S su cui inizialmente ha lavorato Eremet).

E, naturalmente, i fisici stanno cominciando a pensare alle applicazioni. Ci sono numerose sfide nello sfruttamento di questo materiale, non ultimo perché esiste in forma superconduttrice solo in minuscoli campioni all'interno di incudini ad alta pressione.

Ma ciò non ha impedito alle persone di speculare. Questa scoperta è rilevante non solo nella scienza dei materiali e nella materia condensata, ma anche in altri campi che vanno dall'informatica quantistica alla fisica quantistica della materia vivente, affermano Bianconi e Jarlborg. Fanno anche il punto stimolante che questo superconduttore funziona a una temperatura che è di 19 gradi superiore alla temperatura più fredda mai registrata sulla Terra.

Ciò rende questo un campo eccitante in cui trovarsi e di cui probabilmente sentiremo parlare molto di più nei prossimi mesi e anni.

Rif: arxiv.org/abs/1510.05264 : Superconduttività al di sopra della temperatura terrestre più bassa in idruro di zolfo pressurizzato

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