Un record rimasto imbattuto per 30 anni è appena caduto: cambia il futuro della superconduttività?

Dopo oltre tre decenni, la ricerca sulla superconduttività registra un nuovo traguardo. Un gruppo di ricercatori della University of Houston e dell'Argonne National Laboratory (ANL) ha innalzato la temperatura massima alla quale un materiale può mantenere proprietà superconduttive a pressione ambiente, portandola da 133 kelvin (circa -220 °F) a 151 kelvin (circa -190 °F). Il risultato, pubblicato sulla rivista PNAS, rappresenta un passo significativo verso lo sviluppo di superconduttori più pratici per applicazioni energetiche e tecnologiche.

La superconduttività permette il trasporto di corrente elettrica senza alcuna resistenza, eliminando le perdite energetiche e rendendo possibili applicazioni che spaziano dalle reti elettriche ai magneti ad alte prestazioni, fino ai sistemi per la fusione nucleare e alle tecnologie quantistiche. Tuttavia, la maggior parte dei materiali noti richiede temperature estremamente basse per funzionare, mentre quelli che operano vicino alla temperatura ambiente necessitano di pressioni enormi, incompatibili con un impiego pratico.

Schema di un campione all'interno di una cella a incudine di diamante che mostra la temperatura di superconduttività prima della compressione, sotto alta pressione e dopo il rilascio della pressione. Il processo di raffreddamento rapido sotto pressione fa sì che il campione raggiunga una temperatura di superconduttività più elevata a pressione ambiente

Per ottenere il nuovo record, i ricercatori hanno lavorato sul composto Hg-1223, un superconduttore cuprato costituito da mercurio, bario, calcio e rame. Si tratta dello stesso materiale che deteneva il precedente primato fin dagli anni Novanta grazie alla sua temperatura critica di 133 K a pressione ambiente e alla forte sensibilità agli incrementi di pressione.

Il campione è stato inserito in una cella a incudine di diamante e sottoposto a pressioni prossime ai 30 gigapascal, equivalenti a circa 300 volte quelle presenti sul fondale oceanico. In queste condizioni la temperatura critica del materiale aumenta sensibilmente. L'aspetto innovativo della ricerca, però, non riguarda la fase di compressione, bensì quella successiva.

Anziché ridurre gradualmente la pressione, il team ha adottato una procedura denominata pressure-quench, rilasciandola rapidamente mentre il campione veniva mantenuto a bassa temperatura. Questa operazione ha impedito alla struttura cristallina di tornare completamente alla configurazione originaria, intrappolando il materiale in uno stato metastabile che conserva parte delle modifiche indotte dalla pressione elevata.

Grazie a questo trattamento, il superconduttore continua a operare a 151 K anche una volta riportato a pressione ambiente, migliorando di 18 kelvin il precedente record e dimostrando che i benefici ottenuti durante la compressione possono essere mantenuti senza dover ricorrere costantemente a condizioni estreme.

Per comprendere l'origine del fenomeno, i ricercatori hanno utilizzato la Advanced Photon Source dell'Argonne National Laboratory. I fasci di raggi X ad alta intensità della struttura hanno consentito di osservare modifiche microscopiche nella disposizione degli atomi durante il processo di decompressione.

Le analisi hanno evidenziato come il rilascio rapido della pressione generi numerosi difetti nella struttura cristallina. Sebbene normalmente tali imperfezioni vengano considerate indesiderate, in questo caso sembrano contribuire alla stabilizzazione dello stato superconduttivo. Il materiale conserva così una sorta di "memoria" della configurazione acquisita sotto pressione, mantenendo una temperatura critica più elevata anche in condizioni ordinarie.

Secondo Hua Zhou, fisico dell'Argonne National Laboratory e coautore dello studio, il risultato rappresenta un passo importante verso lo sviluppo di superconduttori utilizzabili in condizioni sempre più vicine a quelle ambientali. Un ulteriore vantaggio è rappresentato dal fatto che il materiale può ora essere studiato con strumenti di laboratorio convenzionali, senza la necessità di mantenere pressioni elevate durante gli esperimenti.

Il nuovo record non elimina comunque la necessità del raffreddamento criogenico: i 151 kelvin raggiunti restano infatti ben al di sotto della temperatura ambiente. Tuttavia, la dimostrazione che gli effetti benefici dell'alta pressione possano essere "congelati" nella struttura del materiale apre una nuova strada per la ricerca.

Il prossimo obiettivo sarà verificare se il protocollo adottato si possa applicare anche ad altri superconduttori, in particolare a quelli che mostrano incrementi ancora maggiori della temperatura critica quando vengono sottoposti ad alte pressioni. Se questa strategia dovesse rivelarsi generalizzabile, potrebbe contribuire ad accelerare il percorso verso materiali superconduttori sempre più efficienti e adatti a un impiego pratico in numerosi settori industriali e scientifici.