Per la prima volta è stata raggiunta la superconduttività a temperatura ambiente

L'attrezzatura utilizzata per creare un superconduttore a temperatura ambiente, tra cui una cella a incudine diamantata (scatola blu) e array laser, è raffigurata nel laboratorio di Ranga Dias dell'Università di Rochester. Finestra di Adamo

I superconduttori a temperatura ambiente, materiali che conducono elettricità con resistenza zero senza bisogno di un raffreddamento speciale, sono il tipo di miracolo tecnologico che sconvolgerebbe la vita quotidiana. Potrebbero rivoluzionare la rete elettrica e consentire la levitazione dei treni, tra molte altre potenziali applicazioni. Ma fino ad ora, i superconduttori hanno dovuto essere raffreddati a temperature estremamente basse, il che li ha limitati all'uso come tecnologia di nicchia (sebbene importante). Per decenni è sembrata quella superconduttività a temperatura ambiente potrebbe essere per sempre fuori portata , ma negli ultimi cinque anni alcuni gruppi di ricerca in tutto il mondo si sono impegnati in una corsa per ottenerlo in laboratorio.

Uno di loro ha appena vinto.

In un articolo pubblicato oggi su Nature , i ricercatori riferiscono di aver raggiunto la superconduttività a temperatura ambiente in un composto contenente idrogeno, zolfo e carbonio a temperature fino a 58 °F (13,3 °C o 287,7 K). La precedente temperatura massima era stata di 260 K, o 8 ° F, raggiunta da un gruppo rivale della George Washington University e della Carnegie Institution di Washington, DC, nel 2018. (Un altro gruppo del Max Planck Institute for Chemistry di Mainz, in Germania, raggiunto 250 K, o -9,7 ° F, più o meno nello stesso periodo.) Come i record precedenti, il nuovo record è stato raggiunto a pressioni estremamente elevate, circa due milioni e mezzo di volte superiori a quelle dell'aria che respiriamo.

È un punto di riferimento, afferma José Flores-Livas, fisico computazionale dell'Università La Sapienza di Roma, che crea modelli che spiegano la superconduttività ad alta temperatura e non è stato direttamente coinvolto nel lavoro. In un paio d'anni, dice, siamo passati da 200 [K] a 250 e ora a 290. Sono abbastanza sicuro che arriveremo a 300.

Le correnti elettriche sono cariche elettriche che scorrono, più comunemente composte da elettroni. I conduttori come i fili di rame hanno molti elettroni legati in modo lasco. Quando viene applicato un campo elettrico, quegli elettroni fluiscono in modo relativamente libero. Ma anche buoni conduttori come il rame hanno resistenza: si scaldano quando trasportano elettricità.

La superconduttività, in cui gli elettroni fluiscono attraverso un materiale senza resistenza, sembra impossibile a prima vista. È come se si potesse guidare ad alta velocità in un centro congestionato, senza mai colpire un semaforo. Ma nel 1911, il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes scoprì che il mercurio diventa un superconduttore quando viene raffreddato a pochi gradi sopra lo zero assoluto (circa -460 °F, o -273 °C). Presto osservò il fenomeno in altri metalli come stagno e piombo.

Per molti decenni dopo, la superconduttività è stata creata solo a temperature estremamente basse. Poi, tra la fine del 1986 e l'inizio del 1987, un gruppo di ricercatori del laboratorio IBM di Zurigo ha scoperto che alcuni ossidi di ceramica possono essere superconduttori a temperature fino a 92 K, in modo cruciale, al di sopra della temperatura di ebollizione dell'azoto liquido, che è 77 K. Questo ha trasformato lo studio della superconduttività e le sue applicazioni in cose come la risonanza magnetica ospedaliera, perché l'azoto liquido è economico e facile da maneggiare. (L'elio liquido, sebbene più freddo, è molto più schizzinoso e costoso .) L'enorme balzo in avanti negli anni '80 ha portato a febbrili speculazioni sulla possibilità di una superconduttività a temperatura ambiente. Ma quel sogno si era rivelato sfuggente fino alla ricerca riportata oggi.

Sotto pressione

Un modo in cui funzionano i superconduttori è quando gli elettroni che li attraversano sono accoppiati a fononi, vibrazioni nel reticolo degli atomi di cui è composto il materiale. Il fatto che i due siano sincronizzati, ritengono i teorici, consente agli elettroni di fluire senza resistenza. Le basse temperature possono creare le circostanze per la formazione di tali coppie in un'ampia varietà di materiali. Nel 1968, Neil Ashcroft, della Cornell University, ipotizzò che sotto alte pressioni, anche l'idrogeno sarebbe un superconduttore . Forzando gli atomi a compattarsi strettamente insieme, le alte pressioni cambiano il modo in cui gli elettroni si comportano e, in alcune circostanze, consentono la formazione di coppie elettrone-fonone.

Gli scienziati hanno cercato per decenni di capire quali siano queste circostanze e di capire quali altri elementi potrebbero essere mescolati con l'idrogeno per ottenere la superconduttività a temperature progressivamente più elevate e pressioni più basse.

Nel lavoro riportato nell'articolo di oggi, i ricercatori dell'Università di Rochester e colleghi hanno prima miscelato carbonio e zolfo in un rapporto uno a uno, hanno macinato la miscela fino a ridurle in palline e poi le hanno spremute tra due diamanti mentre iniettavano idrogeno gassoso . Un laser è stato puntato sul composto per diverse ore per rompere i legami tra gli atomi di zolfo, cambiando così la chimica del sistema e il comportamento degli elettroni nel campione. Il cristallo risultante non è stabile a basse pressioni, ma lo è è superconduttore. È anche molto piccolo: alle alte pressioni a cui è superconduttore, ha un diametro di circa 30 milionesimi di metro.

I dettagli esatti di perché questo composto funziona non è completamente compreso: i ricercatori non sono nemmeno sicuri di quale composto abbiano prodotto. Ma stanno sviluppando nuovi strumenti per capire di cosa si tratta e sono ottimisti sul fatto che una volta che saranno in grado di farlo, saranno in grado di modificare la composizione in modo che il composto possa rimanere superconduttore anche a pressioni più basse.

Scendendo a 100 gigapascal, circa la metà delle pressioni utilizzate nell'odierna pubblicazione di Nature, sarebbe possibile iniziare a industrializzare sensori super minuscoli con una risoluzione molto elevata, ipotizza Flores-Livas. Precisi sensori magnetici vengono utilizzati nella prospezione mineraria e anche per rilevare l'attivazione dei neuroni nel cervello umano, nonché nella fabbricazione di nuovi materiali per l'archiviazione dei dati. Un sensore magnetico a basso costo e preciso è il tipo di tecnologia che non sembra sexy di per sé, ma ne rende possibili molte altre.

E se questi materiali possono essere scalati da minuscoli cristalli pressurizzati a dimensioni maggiori che funzionano non solo a temperatura ambiente ma anche a pressione ambiente, sarebbe l'inizio di un cambiamento tecnologico ancora più profondo. Ralph Scheicher, un modellatore computazionale dell'Università di Uppsala in Svezia, afferma che non sarebbe sorpreso se ciò accadesse entro il prossimo decennio.

La resistenza è inutile

I modi in cui l'elettricità viene generata, trasmessa e distribuita verrebbero fondamentalmente trasformati da superconduttori economici ed efficaci a temperatura ambiente di dimensioni superiori a pochi milionesimi di metro. Circa il 5% dell'elettricità generata negli Stati Uniti si perde nella trasmissione e nella distribuzione , secondo l'Energy Information Administration. L'eliminazione di questa perdita, per cominciare, farebbe risparmiare miliardi di dollari e avrebbe un impatto climatico significativo. Ma i superconduttori a temperatura ambiente non cambierebbero solo il sistema che abbiamo, ma consentirebbero un sistema completamente nuovo. I trasformatori, che sono fondamentali per la rete elettrica, potrebbero essere resi più piccoli, più economici e più efficienti. Così anche motori elettrici e generatori. L'accumulo di energia superconduttore è attualmente utilizzato per appianare le fluttuazioni a breve termine nella rete elettrica, ma rimane ancora relativamente di nicchia perché ci vuole molta energia per mantenere freddi i superconduttori. I superconduttori a temperatura ambiente, specialmente se potessero essere progettati per resistere a forti campi magnetici, potrebbero servire come un modo molto efficiente per immagazzinare grandi quantità di energia per periodi di tempo più lunghi , rendendo più efficaci le fonti di energia rinnovabili ma intermittenti come le turbine eoliche o le celle solari.

E poiché il flusso di elettricità crea campi magnetici, i superconduttori possono anche essere utilizzati per creare potenti magneti per applicazioni diverse come macchine per risonanza magnetica e treni levitanti. I superconduttori sono di grande importanza potenziale anche nel nascente campo dell'informatica quantistica. I qubit superconduttori sono già la base di alcuni dei computer quantistici più potenti del mondo. Essere in grado di realizzare tali qubit senza doverli raffreddare non solo renderebbe i computer quantistici più semplici, più piccoli ed economici, ma potrebbe portare a progressi più rapidi nella creazione di sistemi di molti qubit, a seconda delle proprietà esatte dei superconduttori che vengono creati .

Tutte queste applicazioni sono in linea di principio realizzabili con superconduttori che devono essere raffreddati a basse temperature per funzionare. Ma se devi raffreddarli così radicalmente, perdi molti, in alcuni casi tutti, i benefici che ottieni dalla mancanza di resistenza elettrica. Li rende anche più complicati, costosi e inclini al fallimento.

Resta da vedere se gli scienziati possono escogitare composti stabili che sono superconduttori non solo a temperatura ambiente, ma anche a pressione ambiente. Ma i ricercatori sono ottimisti. Concludono il loro articolo con questa allettante affermazione: un robusto materiale superconduttore a temperatura ambiente che trasformerà l'economia energetica, l'elaborazione e il rilevamento delle informazioni quantistiche potrebbe essere realizzabile.

nascondere