• L'attrezzatura utilizzata per creare un superconduttore a temperatura ambiente, tra cui una cella a incudine di diamante (scatola blu) e array laser, nel laboratorio dell'Università di Rochester di Ranga Dias. Adam Fenster
Superconduttività a temperatura ambiente
Si è trattato solo di un piccolo campione sottoposto ad altissima pressione, non è il caso di smantellare subito l'infrastruttura energetica mondiale.
di Konstantin Kakaes 16-10-20
Realizzare superconduttori a temperatura ambiente - materiali che conducono l'elettricità con resistenza zero senza bisogno di un raffreddamento speciale - sarebbe il tipo di miracolo tecnologico che sconvolgerebbe la vita quotidiana. Potrebbero rivoluzionare la rete elettrica e consentire la levitazione dei treni, tra le molte potenziali applicazioni.

Fino ad ora, però, i superconduttori dovevano essere mantenuti a temperature estremamente basse, il che ne ha limitato l'utilizzo a tecnologie di nicchia. Per decenni, la superconduttività a temperatura ambiente è sembrata un sogno fuori portata, ma negli ultimi cinque anni alcuni gruppi di ricerca in tutto il mondo si sono impegnati in una corsa per ottenere risultati in laboratorio ed uno di questi gruppi ci è riuscito.

In uno studio pubblicato da Nature, i ricercatori riferiscono di aver conseguito la superconduttività a temperatura ambiente in un composto contenente idrogeno, zolfo e carbonio raggiungendo temperature di a 58 °F (13,3 °C o 287,7 K). La precedente temperatura più alta 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 a Mainz, Germania, aveva raggiunto i 250 K, o -9,7 °F, all'incirca nello stesso periodo.) Come nel caso dei record precedenti, il nuovo record è stato raggiunto a pressioni estremamente elevate, circa due milioni e mezzo di volte maggiori di quella dell'aria che respiriamo.

"È un risultato storico", dichiara José Flores-Livas, fisico computazionale presso l'Università Sapienza di Roma, creatore di modelli che spiegano la superconduttività ad alta temperatura, non direttamente coinvolto nello studio. "In un paio d'anni", dice, "siamo passati da 200 [K] a 250 ed ora siamo a 290. Sono abbastanza sicuro che raggiungeremo presto i 300."

Le correnti elettriche sono cariche elettriche che fluiscono, più comunemente costituite da elettroni. I conduttori come i fili di rame hanno molti elettroni vagamente legati. Quando viene applicato un campo elettrico, questi elettroni fluiscono relativamente liberamente. Ma anche buoni conduttori come il rame offre resistenza: il materiale si riscalda quando trasportano elettricità.

La superconduttività, il fenomeno che vede gli elettroni fluire attraverso un materiale senza resistenza, sembra impossibile da realizzare, a prima vista. È come se si potesse guidare ad alta velocità in un centro cittadino congestionato, senza mai imbattersi in 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). Ben presto osservò il fenomeno in altri metalli come stagno e piombo.

Per decenni la superconduttività è stata quindi realizzata solo a temperature estremamente basse. Poi, tra la fine del 1986 e l'inizio del 1987, un gruppo di ricercatori del laboratorio di Zurigo dell'IBM scoprì che alcuni ossidi ceramici possono diventare superconduttori a temperature fino a 92 K, ovvero oltre la temperatura di ebollizione dell'azoto liquido, che è 77 K. La scoperta rivoluzionò lo studio della superconduttività e le sue applicazioni in ambiti come la risonanza magnetica ospedaliera, in quanto l'azoto liquido è economico e facile da gestire. (L'elio liquido, sebbene più freddo, è molto più complicato e costoso.) L'enorme balzo compiuto negli anni '80 portò a speculazioni febbrili sulla possibilità di realizzare la superconduttività a temperatura ambiente, un sogno rivelatosi finora suggente.

Uno dei fenomeni che permette ai superconduttori di funzionare è l'accoppiamento degli elettroni che fluiscono attraverso di essi ai fononi, vibrazioni nel reticolo di atomi di cui è composto il materiale. Secondo i teorici, la sincronizzazione che si crea tra loro consente agli elettroni di fluire senza resistenza. Le basse temperature possono creare le circostanze affinché tali coppie si formino in un'ampia varietà di materiali. Nel 1968, Neil Ashcroft, della Cornell University, ipotizzò che sottoposto ad alte pressioni, anche l'idrogeno avrebbe potuto dimostrarsi un materiale superconduttore. Forzando gli atomi a raggrupparsi strettamente insieme, le alte pressioni cambiano il comportamento degli elettroni e, in alcune circostanze, consentono la formazione di coppie elettrone-fonone.

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

Secondo il nuovo studio, i ricercatori dell'Università di Rochester e colleghi hanno prima mescolato carbonio e zolfo in un rapporto uno a uno, hanno macinato la miscela fino a formare minuscole palline, quindi le hanno schiacciate tra due diamanti iniettando gas idrogeno. Un laser puntato sul composto per diverse ore ha rotto 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 è superconduttore. È anche molto piccolo: sotto le alte pressioni alle quali si superconduce, ha un diametro di circa 30 milionesimi di metro.

I dettagli esatti di come tutto ciò funzioni non sono chiari: i ricercatori non sono nemmeno sicuri di quale composto abbiano prodotto. Ma stanno sviluppando nuovi strumenti per capire di cosa si tratta e sono sicuri che una volta riusciti saranno in grado di modificare la composizione in modo che il composto possa rimanere superconduttore anche a pressioni inferiori.

Scendere a 100 gigapascal, circa la metà delle pressioni utilizzate nell'attuale articolo Nature, consentirebbe l'industrializzazione di "sensori minuscoli con risoluzione molto elevata", ipotizza Flores-Livas. Precisi sensori magnetici vengono utilizzati nella prospezione di minerali 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 può non interessare nell'immediato, ma ne rende possibili molte altre.

E se questi materiali possono essere ridimensionati da minuscoli cristalli pressurizzati a dimensioni più grandi che funzionano non solo a temperatura ambiente ma anche a pressione ambiente, ci troveremmo di fronte all'avvento di un cambiamento tecnologico ancora più profondo. Ralph Scheicher, un modellatore computazionale presso l'Università di Uppsala in Svezia, afferma che non sarebbe sorpreso se ciò accadesse "entro il prossimo decennio".

Ci troveremmo di fronte ad una rivoluzione sia della generazione che della trasmissione e distribuzione di elettricità, grazie a superconduttori a temperatura ambiente economici ed efficaci più grandi di pochi milionesimi di metro. Secondo l'Energy Information Administration, circa il 5% dell'elettricità generata negli Stati Uniti va perduta nella trasmissione e distribuzione. Eliminare questa perdita significherebbe, tanto per cominciare, risparmiare miliardi di dollari e avere un impatto climatico significativo.

Ma i superconduttori a temperatura ambiente non cambierebbero solo il sistema che abbiamo, ne abiliterebbero uno totalmente nuovo. I trasformatori, fondamentali per la rete elettrica, potrebbero farsi più piccoli, più economici ed efficienti. Lo stesso avverrebbe per motori elettrici e generatori.

L'accumulo di energia per mezzo di superconduttori è attualmente utilizzato per appianare le fluttuazioni a breve termine della rete elettrica, ma rimane ancora relativamente di nicchia perché mantenere freddi i superconduttori richiede molta energia. Dei superconduttori a temperatura ambiente, soprattutto se progettati per resistere a forti campi magnetici, potrebbero essere utilizzati come efficienti accumulatori di grandi quantità di energia per lunghi periodi di tempo, un fattore cruciale per fonti di energia rinnovabile, ma intermittente, come turbine eoliche o celle solari.

E poiché l'elettricità che scorre crea campi magnetici, i superconduttori potrebbero anche essere utilizzati per creare potenti magneti per applicazioni come macchine MRI e treni levitanti. I superconduttori hanno un ruolo anch enel campo nascente 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 già realizzabili con superconduttori che funzionano a temperature radicalmente basse. La necessità di raffreddarli, però, comporta la perdita di molti dei benefici generati dall'assenza di resistenza elettrica. Tali applicazioni sarebbero più complicate, costose e soggette a guasti.

Si tratta ora di vedere se gli scienziati saranno in grado di realizzare composti stabili che sono superconduttori non solo a temperatura ambiente, ma anche a pressione ambiente. I ricercatori sono ottimisti. Concludono il loro pezzo 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".

(lo)