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Un team di fisici a New York ha scoperto un materiale che conduce l’elettricità con perfetta efficienza a temperatura ambiente: una pietra miliare scientifica a lungo ricercata. Il composto di idrogeno, carbonio e zolfo funziona come un superconduttore fino a 59 gradi Fahrenheit, come riferisce il team su Nature. È più di 50 gradi più caldo del 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.
“È chiaramente un punto di riferimento“, ha detto Chris Pickard, scienziato dei materiali presso l’Università di Cambridge.
Tuttavia, mentre i ricercatori celebrano il risultato, sottolineano che il nuovo composto – creato da un team guidato da Ranga Dias dell’Università di Rochester – non troverà mai la sua strada nelle linee elettriche senza perdite, nei treni ad alta velocità senza attrito o in nessuna delle tecnologie attuali se il fragile effetto quantistico alla base della superconduttività non potrà essere mantenuto in condizioni veramente ambientali. 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 terrestre.
“Si sempre parlato di superconduttività a temperatura ambiente“, ha detto Pickard. “ma il fatto di averlo realizzato a pressioni così elevate è chiaramente un problema“.
Gli scienziati dei materiali devono ora affrontare la sfida di scoprire un superconduttore che funzioni non solo a temperature normali ma anche sotto le pressioni quotidiane. Alcune caratteristiche del nuovo composto fanno sperare che un giorno si possa trovare la giusta miscela di atomi.
La resistenza elettrica si verifica nei fili normali quando gli elettroni che fluiscono liberamente urtano gli atomi che compongono il metallo. Ma i ricercatori hanno scoperto nel 1911 che a basse temperature, gli elettroni possono indurre vibrazioni nel reticolo atomico di un metallo e quelle vibrazioni, a loro volta, attirano gli elettroni in coppie note come coppie di Cooper. Diverse regole quantistiche governano queste coppie, che fluiscono insieme in uno sciame coerente che passa attraverso il reticolo del metallo senza ostacoli, senza incontrare alcuna resistenza. Il fluido superconduttore espelle anche i campi magnetici, un effetto che potrebbe consentire ai veicoli in 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 progressi nel campo dei superconduttori a temperatura ambiente sono decollati negli anni 2000, quando le simulazioni di supercomputer hanno consentito ai teorici di prevedere le proprietà di vari idruri e l’uso diffuso di incudini di diamante compatto ha consentito agli sperimentatori di spremere i candidati più promettenti.
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 dall’odore pungente trovato nelle uova marce – superconduce a -94 gradi Fahrenheit sotto 1,5 milioni di volte la pressione dell’atmosfera. Quattro anni dopo, lo stesso laboratorio ha utilizzato l’idruro di lantanio per raggiungere -10 gradi sotto 1,8 milioni di atmosfere , anche se un altro gruppo ha trovato prove di superconduttività nello stesso composto a 8 gradi.
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 ideale 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 la tua incudine di diamante. Nel corso della loro ricerca, il team ha eliminato molte dozzine di coppie di diamanti da $ 3.000. “Questo è il problema più grande con la nostra ricerca, il budget dei diamanti“, ha detto Dias.
Ora, i ricercatori hanno iniziato con l’idrogeno solforato, hanno aggiunto metano e hanno cotto la miscela con un laser.
“Siamo stati in grado di arricchire il sistema e introdurre la giusta quantità critica 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.
Ma i dettagli fini della pozione idrogeno-carbonio-zolfo che hanno preparato sfuggono. L’idrogeno è troppo piccolo per essere mostrato nelle tradizionali sonde di struttura reticolare, quindi il gruppo non sa come sono disposti gli atomi, o nemmeno l’esatta formula chimica della sostanza.
Eva Zurek, una chimica computazionale dell’Università di Buffalo, appartiene a un gruppo di teorici affiliati al laboratorio di Dias. All’inizio di quest’anno hanno previsto le condizioni in cui un metallo che potrebbe essersi formato tra le incudini di diamante dovrebbe supercondurre, e hanno riscontrato un comportamento diverso. Il sospetto è 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 sarà in grado di capire esattamente cosa hanno tra le mani, i teorici costruiranno modelli esplorando le caratteristiche che danno a questa miscela di idrogeno-carbonio-zolfo il suo potere superconduttore, nella speranza modificando ulteriormente la ricetta.
I fisici hanno dimostrato che la maggior parte degli ibridi di idrogeno a due elementi sono vicoli ciechi, ma la nuova miscela di tre elementi segna un progresso potenzialmente significativo nel mondo dei materiali chimerici complessi. Uno degli elementi coinvolti sembra particolarmente promettente per alcuni.
“Quello che mi piace di questo lavoro: portano carbonio nel sistema“, ha detto Mikhail Eremets, uno sperimentatore del Max Planck Institute for Chemistry in Germania il cui laboratorio ha stabilito i record di idruro del 2015 e del 2019.
La leggerezza dell’idrogeno non è l’unico modo per rinforzare le vibrazioni che guidano gli elettroni in coppie di Cooper. Anche collegamenti più forti tra atomi vicini nel reticolo aiutano e, ha detto Eremets, “il carbonio ha legami covalenti molto forti”. I materiali con telai in carbonio potrebbero portare il vantaggio aggiuntivo di impedire che l’intero assemblaggio crolli alle basse pressioni.
Zurek è d’accordo. “Ho pensato che la pressione della stanza sarebbe stata molto impegnativa“, ha detto. “Ma se riusciamo a portare i composti del carbonio nella miscela, penso che questo rappresenti una via da seguire”.
Fonte: Università di Rochester
“È chiaramente un punto di riferimento“, ha detto Chris Pickard, scienziato dei materiali presso l’Università di Cambridge.
Tuttavia, mentre i ricercatori celebrano il risultato, sottolineano che il nuovo composto – creato da un team guidato da Ranga Dias dell’Università di Rochester – non troverà mai la sua strada nelle linee elettriche senza perdite, nei treni ad alta velocità senza attrito o in nessuna delle tecnologie attuali se il fragile effetto quantistico alla base della superconduttività non potrà essere mantenuto in condizioni veramente ambientali. 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 terrestre.
“Si sempre parlato di superconduttività a temperatura ambiente“, ha detto Pickard. “ma il fatto di averlo realizzato a pressioni così elevate è chiaramente un problema“.
Gli scienziati dei materiali devono ora affrontare la sfida di scoprire un superconduttore che funzioni non solo a temperature normali ma anche sotto le pressioni quotidiane. Alcune caratteristiche del nuovo composto fanno sperare che un giorno si possa trovare la giusta miscela di atomi.
La resistenza elettrica si verifica nei fili normali quando gli elettroni che fluiscono liberamente urtano gli atomi che compongono il metallo. Ma i ricercatori hanno scoperto nel 1911 che a basse temperature, gli elettroni possono indurre vibrazioni nel reticolo atomico di un metallo e quelle vibrazioni, a loro volta, attirano gli elettroni in coppie note come coppie di Cooper. Diverse regole quantistiche governano queste coppie, che fluiscono insieme in uno sciame coerente che passa attraverso il reticolo del metallo senza ostacoli, senza incontrare alcuna resistenza. Il fluido superconduttore espelle anche i campi magnetici, un effetto che potrebbe consentire ai veicoli in 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 progressi nel campo dei superconduttori a temperatura ambiente sono decollati negli anni 2000, quando le simulazioni di supercomputer hanno consentito ai teorici di prevedere le proprietà di vari idruri e l’uso diffuso di incudini di diamante compatto ha consentito agli sperimentatori di spremere i candidati più promettenti.
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 dall’odore pungente trovato nelle uova marce – superconduce a -94 gradi Fahrenheit sotto 1,5 milioni di volte la pressione dell’atmosfera. Quattro anni dopo, lo stesso laboratorio ha utilizzato l’idruro di lantanio per raggiungere -10 gradi sotto 1,8 milioni di atmosfere , anche se un altro gruppo ha trovato prove di superconduttività nello stesso composto a 8 gradi.
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 ideale 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 la tua incudine di diamante. Nel corso della loro ricerca, il team ha eliminato molte dozzine di coppie di diamanti da $ 3.000. “Questo è il problema più grande con la nostra ricerca, il budget dei diamanti“, ha detto Dias.
Ora, i ricercatori hanno iniziato con l’idrogeno solforato, hanno aggiunto metano e hanno cotto la miscela con un laser.
“Siamo stati in grado di arricchire il sistema e introdurre la giusta quantità critica 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.
Ma i dettagli fini della pozione idrogeno-carbonio-zolfo che hanno preparato sfuggono. L’idrogeno è troppo piccolo per essere mostrato nelle tradizionali sonde di struttura reticolare, quindi il gruppo non sa come sono disposti gli atomi, o nemmeno l’esatta formula chimica della sostanza.
Eva Zurek, una chimica computazionale dell’Università di Buffalo, appartiene a un gruppo di teorici affiliati al laboratorio di Dias. All’inizio di quest’anno hanno previsto le condizioni in cui un metallo che potrebbe essersi formato tra le incudini di diamante dovrebbe supercondurre, e hanno riscontrato un comportamento diverso. Il sospetto è 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 sarà in grado di capire esattamente cosa hanno tra le mani, i teorici costruiranno modelli esplorando le caratteristiche che danno a questa miscela di idrogeno-carbonio-zolfo il suo potere superconduttore, nella speranza modificando ulteriormente la ricetta.
I fisici hanno dimostrato che la maggior parte degli ibridi di idrogeno a due elementi sono vicoli ciechi, ma la nuova miscela di tre elementi segna un progresso potenzialmente significativo nel mondo dei materiali chimerici complessi. Uno degli elementi coinvolti sembra particolarmente promettente per alcuni.
“Quello che mi piace di questo lavoro: portano carbonio nel sistema“, ha detto Mikhail Eremets, uno sperimentatore del Max Planck Institute for Chemistry in Germania il cui laboratorio ha stabilito i record di idruro del 2015 e del 2019.
La leggerezza dell’idrogeno non è l’unico modo per rinforzare le vibrazioni che guidano gli elettroni in coppie di Cooper. Anche collegamenti più forti tra atomi vicini nel reticolo aiutano e, ha detto Eremets, “il carbonio ha legami covalenti molto forti”. I materiali con telai in carbonio potrebbero portare il vantaggio aggiuntivo di impedire che l’intero assemblaggio crolli alle basse pressioni.
Zurek è d’accordo. “Ho pensato che la pressione della stanza sarebbe stata molto impegnativa“, ha detto. “Ma se riusciamo a portare i composti del carbonio nella miscela, penso che questo rappresenti una via da seguire”.
Fonte: Università di Rochester
