Ecco il primo superconduttore a temperatura ambiente (ma a pressioni elevatissime): è un composto misterioso

I superconduttori sono una classe di materiali caratterizzati da resistività elettrica nulla. Perché ciò possa avvenire, però, necessitano di essere raffreddati a temperature molto al di sotto degli 0 °C e per questo motivo il loro impiego è limitato ad alcune applicazioni particolari per via della complessità necessaria a realizzare e mantenere determinate temperature.

La scoperta della superconduttività si deve al fisico Heike Kamerlingh Onnes nel 1911, quando notò che alla temperatura di 4,2 kelvin (-268,95 °C) la resistenza del mercurio si annullava. Tale temperatura fu raggiunta impiegando l'elio liquido prodotto pochi anni prima e per il quale ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1913. Un esempio di riferimento per le applicazioni dei superconduttori, già realizzata, sono gli elettromagneti del Large Hadron Collider, l'acceleratore di particelle del CERN. In questo caso la superconduttività è ottenuta ad una temperatura di -271,25 °C.

I superconduttori ad alta temperatura

La ricerca scientifica è al lavoro da parecchi decenni per individuare la possibilità di realizzare superconduttori "ad alta temperatura". In questo caso le parole "alta temperatura" sono da considerare in proporzione a quelle che sono le normali temperature criogeniche a cui operano i superconduttori tradizionali: dalla fine degli anni '70 sono stati osservati materiali capaci di mostrare superconduttività a temperature di 20 K (-263,2 °C) che la fisica considera "molto più elevate" rispetto a quanto scoperto originariamente da Onnes. Formalmente i superconduttori sono considerati ad alta temperatura quando mostrano il peculiare fenomeno fisico al di sopra dei 77 K (-196,2 °C).

A seguito della scoperta dei superconduttori ad alta temperatura non si è però sviluppata una corretta comprensione concettuale che spiegasse per quale motivo quei composti fossero in grado di mostrare superconduttività anche a temperature più elevate rispetto ai superconduttori tradizionali. Lo studio e lo sviluppo dei superconduttori ad alta temperatura è pertanto proseguito su un terreno incerto, subendo però rapidamente una battuta d'arresto. Solo negli ultimi anni, grazie ad una comprensione più corretta dei meccanismi fisici che regolano la superconduttività è stato possibile compiere alcuni rapidi passi avanti che hanno, in particolare, messo in evidenza le proprietà di una nuova famiglia di materiali.

Sezione dell'acceleratore Large Hadron Collider del CERN di Ginevra

All'interno di un materiale non superconduttivo gli elettroni si spostano singolarmente, urtando atomi ed eventuali difetti strutturali del materiale e dando luogo quindi a ciò che è la resistenza elettrica. Perché gli elettroni possano muoversi liberamente devono formare quella che viene chiamata coppia di Cooper, la quale si comporta come un fluido quantistico che può muoversi all'interno del materiale evitando imperfezioni e sfruttando qualsiasi percorso a disposizione: è la superconduttività.

La formazione delle coppie di Cooper implica riuscire a vincere la naturale tendenza a respingersi degli elettroni, trattandosi di particelle subatomiche con carica di ugual segno. Perché ciò sia possibile è necessario mettere mano a quella parte della fisica che si occupa delle interazioni tra gli elettroni e le vibrazioni nel materiale in cui risiedono, che prendono il nome di fononi. In particolare la ricerca scientifica ha trovato riscontro nel fatto che i fononi ad alta frequenza hanno mostrato una particolare efficacia per la formazione di coppie di Cooper: è partendo da questo punto che si è aperta la via preferenziale per l'uso dell'idrogeno poichè la sua massa atomica ridotta consente di ottenere vibrazioni ad alta frequenza più facilmente, rendendolo quindi un candidato ideale per i superconduttori ad alta temperatura. I composti ricchi di idrogeno sono quindi diventati i nuovi Graal della superconduzione.

Realizzato il primo superconduttore a temperatura ambiente

Per forzare l'idrogeno all'interno di solidi capaci di risultare superconduttori senza dover ricorrere a temperature criogeniche, sono però necessarie pressioni particolarmente elevate. Attualmente la scienza ha prodotto due esempi di riferimento: in un primo caso è stato trattato idrogeno solforato ad alte pressioni, processo che lo ha portato a scomporsi e dar luogo ad un miscuglio di zolfo puro e altre sostanze con un rapporto insolito e non ben chiaro tra idrogeno e zolfo; in un secondo caso invece è stato formato idruro di lantanio, comprimendo una miscela di idrogeno e lantanio, che è risultata essere ricca di idrogeno nella sua struttura cristallina.

Un gruppo di ricercatori dell'Università di Rochester è riuscito ad abbattere un'importante barriera dando dimostrazione della prima sostanza chimica capace di mostrare superconduttività a temperatura ambiente. Ovviamente come spesso accade nel campo del progresso scientifico, non è tutto oro quel che luccica: i ricercatori non hanno ancora ben chiaro cosa sia questa sostanza chimica e, se da un lato non sono necessarie temperature criogeniche, dall'altro dobbiamo però avere a che fare con una pressione di 2,5 milioni di atmosfere.

Come riporta anche MIT Technology Review, i ricercatori dell'Università di Rochester hanno seguito una strada differente dalle precedenti per realizzare il loro composto: hanno selezionato due elementi, zolfo e carbonio, che già in natura sono in grado di formare composti ricchi di idrogeno, vi hanno aggiunto appunto idrogeno e hanno sottoposto la miscela a pressioni progressivamente più elevate usando un'incudine al diamante (dispositivo utilizzato per poter riuscire ad esercitare pressioni fino a 770 gigapascal, pari a 7,7 milioni di atmosfere) misurando la superconduttività tramite elettrodi di platino.

I ricercatori hanno iniziato comprimendo la miscela a 4 gigapascal, riscontrando la formazione di un materiale non particolarmente chiaro e poco stabile. Incrementando la pressione fino a 175 gigapascal i ricercatori hanno riscontrato un comportamento superconduttivo con una temperatura di 180 K, pari a -93 °C, e da qui in poi sempre meglio: a 240 gigapascal la temperatura critica è stata di -28 °C ed è stato necessario spingersi "solo" fino a 250 gigapascal per ottenere la superconduttività alla temperatura di 15 °C. Sebbene la temperatura sia pari a quella di cui si può fare tranquillamente esperienza in una qualsiasi giornata autunnale, la pressione esercitata si può trovare nelle profondità di Giove. La conferma che si trattasse effettivamente di superconduttività è arrivata dallo studio delle proprietà magnetiche del materiale, che hanno mostrato di cambiare alle stesse temperature della manifestazione del comportamento superconduttivo.

L'idrogeno fondamentale per i superconduttori di domani

Resta però il problema di capire cosa sia effettivamente il materiale che si è formato. Normalmente si utilizzerebbe un'indagine utilizzando una qualche forma di scansione a raggi X, ma questi metodi non sono compatibili con l'incudine al diamante necessaria per raggiungere le pressioni elevatissime dell'esperimento. I ricercatori hanno quindi sfruttato metodi più semplici di analisi spettroscopica riuscendo ad individuare legami carbonio-idrogeno e carbonio-zolfo all'interno del materiale. Tuttavia l'analisi è stata possibile solamente a pressioni al di sotto dei 50 gigapascal e non è da escludere (anzi, è particolarmente probabile) che l'aumento della pressione abbia dato luogo alla formazione di nuovi legami che non si potrebbero formare in condizioni meno estreme.

Purtroppo la difficoltà nel riuscire a caratterizzare il nuovo misterioso materiale non permette di capire se quanto riscontrato può rappresentare una base di partenza da cui lavorare per provare ad ottenere un materiale superconduttore capace di funzionare in condizioni fisiche meno proibitive. Ma, almeno, c'è ora un nuovo tassello del puzzle che sembra validare il fatto che i materiali ricchi di idrogeno possono essere la chiave per riuscire ad ottenere la conduttività a temperatura ambiente.