I superconduttori, materiali dotati della straordinaria capacità di condurre corrente elettrica senza opporre alcuna resistenza, rappresentano un elemento cruciale per lo sviluppo di tecnologie all’avanguardia.
Le loro proprietà uniche aprono orizzonti in settori strategici quali la trasmissione efficiente di energia, la levitazione magnetica per trasporti innovativi, l’accumulo di energia su larga scala e l’emergente campo dell’informatica quantistica.
Superconduttori ad alta temperatura: un balzo avanti nella caratterizzazione con il tunneling
Per lungo tempo tuttavia, l’applicazione pratica dei superconduttori è stata ostacolata dalla necessità di operare a temperature estremamente basse, un requisito che ne limitava significativamente l’adozione. Una svolta epocale nella ricerca sui superconduttori è giunta con la scoperta della superconduttività in composti ricchi di idrogeno. In particolare, l’acido solfidrico (H₃S) e il decaidruro di lantanio (LaH₁₀) hanno dimostrato proprietà superconduttive a temperature notevolmente più elevate rispetto ai superconduttori tradizionali.
L’H₃S manifesta superconduttività a 203 Kelvin (-70 °C), mentre il LaH₁₀ raggiunge questo stato a 250 Kelvin (-23 °C). Questi risultati pionieristici hanno avvicinato in modo significativo la comunità scientifica all’ambizioso obiettivo della superconduttività a temperatura ambiente. Grazie alle loro temperature critiche, che superano ampiamente il punto di ebollizione dell’azoto liquido (77 K), questi materiali sono ora classificati come superconduttori ad alta temperatura, aprendo nuove prospettive per la loro applicazione.
Un concetto fondamentale per comprendere la superconduttività è il gap superconduttivo, una proprietà intrinseca che riflette il meccanismo attraverso il quale gli elettroni si accoppiano per dare origine allo stato superconduttore. L’identificazione precisa di questo gap è essenziale per distinguere la fase superconduttiva dal comportamento metallico ordinario di un materiale. Tuttavia, la misurazione del gap superconduttivo in composti ricchi di idrogeno come l’H₃S ha rappresentato una sfida scientifica di notevole complessità.
La sintesi di questi materiali richiede condizioni di pressione estreme, superiori a un milione di volte la pressione atmosferica, realizzabili unicamente all’interno di celle a incudine di diamante. In un ambiente così ostile, le tecniche di misurazione convenzionali, come la spettroscopia a effetto tunnel a scansione (STS) e la spettroscopia fotoemissione ad angolo risolto (ARPES), si rivelano inapplicabili.
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📘 Leggi la guida su AmazonPer superare questa barriera tecnologica, un team di ricercatori del Max Planck Institute di Magonza ha sviluppato una sofisticata tecnica di spettroscopia a effetto tunnel elettronico planare, specificamente progettata per operare in condizioni di pressione elevatissima. Questa innovazione metodologica ha permesso loro di sondare per la prima volta il gap superconduttivo nell’H₃S, offrendo una visione diretta e senza precedenti dello stato superconduttore in questi promettenti composti ricchi di idrogeno.
Attraverso l’applicazione di questa nuova spettroscopia, i ricercatori hanno scoperto che l’H₃S presenta un gap superconduttore completamente aperto con un valore di circa 60 millielettronvolt (meV). Sorprendentemente, il suo analogo deuterato, il D₂S, ha mostrato un gap inferiore, pari a circa 44 meV.
Il deuterio, un isotopo dell’idrogeno con un neutrone aggiuntivo, ha rivelato un comportamento che fornisce un indizio cruciale sul meccanismo della superconduttività. La differenza nel gap tra H₃S e D₂S conferma che l’interazione degli elettroni con i fononi – le vibrazioni quantizzate del reticolo atomico del materiale – è la causa fondamentale della superconduttività nell’H₃S, fornendo un solido supporto a previsioni teoriche di lunga data.
L’eredità di Eremets
Per il team di ricerca di Magonza, il recente sviluppo di una spettroscopia innovativa non rappresenta unicamente un avanzamento tecnico di rilievo. Questa metodologia pionieristica apre nuove e concrete possibilità per svelare in modo esaustivo i meccanismi fondamentali che sottendono la superconduttività ad alta temperatura nei materiali ricchi di idrogeno.
Il Dottor Feng Du, primo autore dello studio, sottolinea l’importanza di questo risultato per il futuro della ricerca: “Ci auguriamo che estendendo questa tecnica di tunneling ad altri superconduttori a idruri, si possano individuare i fattori chiave che consentono la superconduttività a temperature ancora più elevate. Ciò dovrebbe in definitiva consentire lo sviluppo di nuovi materiali in grado di operare in condizioni più pratiche“.
Il Dottor Mikhail Eremets, figura di spicco nel campo della superconduttività ad alta pressione, tragicamente scomparso nel novembre del 2024, aveva riconosciuto l’importanza capitale di questo studio, definendolo “il lavoro più importante nel campo della superconduttività degli idruri dalla scoperta della superconduttività in H₂S nel 2015″. Vasily Minkov, responsabile del progetto di Chimica e Fisica ad Alta Pressione presso il Max Planck Institute for Chemistry, ha commentato con entusiasmo: “La visione di Mikhail di superconduttori operanti a temperatura ambiente e pressioni moderate si avvicina di un passo alla realtà grazie a questo lavoro“.
La superconduttività, la straordinaria capacità dei materiali di condurre corrente elettrica senza alcuna perdita di energia, fu scoperta nel 1911 da Heike Kamerlingh Onnes nel mercurio puro. Per decenni, si è ritenuto che questo fenomeno potesse manifestarsi unicamente a temperature prossime allo zero assoluto (-273 °C). Questo paradigma consolidato subì una radicale trasformazione alla fine degli anni ’80, quando Georg Bednorz e Karl Alexander Müller portarono alla luce una nuova classe di superconduttori a base di ossido di rame (cuprati) che esibivano superconduttività ad alta temperatura a pressione atmosferica.
Questa scoperta innescò un’intensa attività di ricerca a livello globale, culminando nel raggiungimento di una temperatura critica (Tc), la soglia termica al di sotto della quale un materiale perde la sua resistenza elettrica, di circa 133 K a pressione ambiente e 164 K ad alta pressione. Tuttavia, fino all’avvento dei composti ricchi di idrogeno, nessun superconduttore con una Tc superiore era stato identificato.
La scoperta della superconduttività nell’acido solfidrico (H₂S) a pressioni di megabar, con una temperatura critica (Tc) di 203 K, da parte del gruppo di ricerca guidato dal Dottor Mikhail Eremets, rappresentò quindi un progresso epocale verso la realizzazione della superconduttività a temperature prossime a quelle ambientali.
Questa svolta fondamentale fu rapidamente seguita dalla scoperta di valori di Tc ancora più elevati in altri idruri metallici ricchi di idrogeno, come YH₆ (Tc ≈ 244 K) e LaH₁₀ (Tc ≈ 250 K). Gli attuali modelli teorici suggeriscono con crescente convinzione la possibilità di raggiungere la superconduttività a temperature superiori a quella ambiente in diversi sistemi chimici dominati dall’idrogeno, sebbene sottoposti a condizioni di pressione estreme.
Il fondamento quantistico della superconduttività
Nei metalli convenzionali, gli elettroni con livelli di energia prossimi al livello di Fermi, che rappresenta l’energia massima occupata dagli elettroni in un solido allo zero assoluto, possiedono la libertà di muoversi attraverso la struttura cristallina. Tuttavia, la transizione a uno stato superconduttore innesca un profondo cambiamento nel comportamento elettronico. Gli elettroni si aggregano formando le cosiddette coppie di Cooper, un fenomeno quantistico collettivo.
Queste coppie, intrinsecamente correlate, si propagano attraverso il materiale come singole entità, eludendo la dispersione causata dalle vibrazioni del reticolo atomico (fononi) o dalle imperfezioni strutturali (impurità). Questa assenza di scattering è la diretta responsabile della caratteristica distintiva della superconduttività: la resistenza elettrica nulla.
L’accoppiamento degli elettroni in coppie di Cooper è intrinsecamente legato alla formazione di un gap energetico in prossimità del livello di Fermi, denominato gap superconduttore. Questo gap rappresenta l’energia minima necessaria per scindere una coppia di elettroni di Cooper, disgregando lo stato superconduttore. L’esistenza di questa barriera energetica conferisce stabilità allo stato superconduttore, proteggendolo da perturbazioni esterne come i processi di scattering che normalmente ostacolano il flusso di elettroni nei conduttori ordinari.
Il gap superconduttore emerge come la caratteristica distintiva che definisce lo stato quantistico di un superconduttore. La sua grandezza, ovvero il suo valore energetico, e la sua simmetria spaziale forniscono informazioni cruciali sulle interazioni fondamentali che governano l’accoppiamento degli elettroni all’interno del materiale. In questo senso, il gap superconduttore agisce come una vera e propria impronta digitale del meccanismo microscopico che è alla base della superconduttività in un dato materiale, rivelando la natura delle forze che orchestrano questo affascinante fenomeno quantistico.
Lo studio è stato pubblicato su Nature.
