Poliidruro di lantanio-cerio, la chiave per trasportare elettricità con resistenza zero?

Scienziati dell'Università di Jilin (Cina), del Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) e di Skoltech (Russia) hanno sintetizzato il poliidruro di lantanio-cerio, un materiale che promette di facilitare gli studi sulla superconduttività a temperatura ambiente. Il poliidruro di lantanio-cerio offre un compromesso tra i poliidruri di lantanio e cerio in termini di quanto raffreddamento e pressione richieste.

Ciò consentirà esperimenti più facili, che un giorno potrebbero portare a ottenere composti che conducono l'elettricità con resistenza zero in condizioni ambientali: un sogno su cui si sta lavorando da molti anni. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications.

Una delle domande irrisolte più intriganti della fisica moderna è: possiamo creare un materiale che conduca elettricità con resistenza zero (superconduttori) a temperatura ambiente e pressione atmosferica? Un tale superconduttore consentirebbe reti elettriche con un'efficienza senza precedenti, microchip ultraveloci ed elettromagneti così potenti da poter far levitare i treni o controllare i reattori a fusione.

Gli scienziati stanno sondando più classi di materiali, aumentando lentamente la temperatura a cui superconducono e diminuendo la pressione di cui hanno bisogno per rimanere stabili. Uno di questi gruppi di materiali è costituito dai poliidruri, composti con un contenuto di idrogeno estremamente elevato.

A meno 23 °C, l'attuale campione di superconduttività ad alta temperatura è un poliidruro di lantanio con formula LaH10. Il problema? Richiede la pressione di 1,5 milioni atmosfere. All'estremità opposta dello spettro troviamo i cuprati, una classe di materiali che superconduce alla normale pressione atmosferica ma richiede temperature più basse, non più di -140 °C.

I ricercatori russi di Skoltech e i loro colleghi cinesi sono riusciti a mitigare i requisiti di pressione dei superconduttori di poliidruro. Per fare ciò, il team ha ottimizzato il sistema lantanio-idrogeno aggiungendo un po' di cerio. Fisicamente, ciò ha richiesto di creare una lega di lantanio-cerio e riscaldarla in una cella ad alta pressione con borano di ammoniaca, una sostanza che rilascia molto idrogeno mentre si decompone.

Lantanio e cerio sono due atomi molto simili che formano composti analoghi e spesso possono essere sostituiti l'uno con l'altro. Tuttavia, mentre la superconduttività è stata segnalata per i poliidruri LaH10 e CeH10, così come in CeH9, la corrispondente fase LaH9 è raramente osservata.

Gli scienziati hanno deciso di verificare se fosse possibile stabilizzare LaH9 integrandolo con un additivo opportunamente scelto, come il cerio, a condizione che questo alteri la struttura del materiale originale. E ha funzionato.

"Una pressione molto alta spinge il lantanio e l'idrogeno puri nella struttura LaH10. Ma se sostituisci circa 1 atomo di lantanio su 4 con il cerio, questo riorganizza la struttura nella disposizione vista in CeH9. In tal senso, l'introduzione del terzo elemento altera la struttura che la materia pura avrebbe altrimenti assunto. E questo additivo contribuisce alla stabilità: rispetto alle 1,5 milioni di atmosfere necessarie per LaH10, il nostro poliidruro di lantanio-cerio è stabile a solo 1 milione di atmosfere. Questa è all'incirca la stessa pressione richiesta dai poliidruri di cerio, ma questi mostrano una superconduttività solo al di sotto di -158 °C, mentre il nuovo superconduttore lavora a -97 °C. Quindi è un buon compromesso, ma soprattutto, è una rassicurazione che il nostro ragionamento è giusto", ha dichiarato il coautore dello studio, il professor Artem R. Oganov di Skoltech.

Oganov ritiene che i poliidruri in generale difficilmente saranno resi superconduttori a pressione atmosferica (che è una condizione necessaria per applicazioni su larga scala come treni maglev o reti elettriche senza perdite), afferma che il loro studio offre approfondimenti sulla superconduttività che avvicinano al raggiungimento di quell'obiettivo finale con altri materiali.

"I poliidridi sono un Eldorado per la ricerca fondamentale sui superconduttori sotto pressione", ha aggiunto Oganov. "E sintetizzando il nostro nuovo composto, abbiamo testato e perfezionato gli strumenti e i trucchi utili in questa ricerca e fornito un materiale utile per ulteriori studi".

"Il lavoro è interessante anche per due aspetti chiave: mostra la possibile anisotropia del campo critico superiore per gli idruri. Cioè, la dipendenza della temperatura critica dalla direzione del campo magnetico. E mostra anche che con una diminuzione della pressione, una fase di pseudogap si manifesta nei poliidridi", ha detto il coautore dello studio Dmitrii Semenok, aggiungendo che entrambe le proprietà sono caratteristiche dei superconduttori cuprati. "Quindi, a un esame più attento, i poliidruri risultano essere molto simili ai cuprati nonostante i diversi meccanismi di superconduttività".

Interrogati su altri composti promettenti a cui sta portando l'attuale ricerca sui poliidruri, i ricercatori hanno risposto che idruri e boroidruri di calcio, ittrio, lantanio e magnesio sembrano meritare attenzione.