Nuovo superconduttore: nessuna resistenza a temperature record

Ragionevoli speranze che la superconduttività possa avvenire anche a temperatura ambiente

[20 agosto 2015]

Superconduttore

«Fino ad ora, nessun materiale era stato in grado di condurre corrente senza resistenza a temperature così elevate» a dirlo sono i ricercatori  del  Max-Planck-Institut für Chemie e dell’Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie della Johannes Gutenberg-Universität Mainz che hanno pubblicato su Nature lo studio “Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system” e che hanno scoperto che il solfuro di idrogeno diventa superconduttivo a meno 70 gradi Celsius, quando la sostanza viene posta ad  una pressione di 1,5 milioni bar, corrispondente alla metà della pressione del nucleo terrestre. Con i loro esperimenti ad alta pressione effettuati a Magonza i ricercatori tedeschi  hanno così non solo stabilito un nuovo record per la superconduttività, ma  hanno anche messo in evidenza un  nuovo modo possibile  modo di trasportare corrente a temperatura ambiente senza perdite.

A Max-Planck-Institut für Chemie sottolineano che «Per molti fisici, i superconduttori a stato solido adatti per l’utilizzo a temperatura ambiente sono ancora un sogno. Finora, gli unici materiali noti per condurre corrente elettrica senza resistenza e quindi senza perdite lo fanno  solo a temperature molto basse. Pertanto, ceramiche speciali al  rame (cuprati) sono al vertice in termini di temperatura e  transizione della temperatura alla quale il materiale perde la sua resistenza. Il record per una ceramica di questo tipo è di circa meno 140 gradi Celsius a pressione normale e meno 109 gradi Celsius ad alta pressione. Nelle ceramiche si verifica una speciale forma non convenzionale della superconduttività. Per la superconduttività convenzionale, sono stati finora necessarie  temperature di almeno meno 234 gradi Celsius».

Il team guidato da Mikhael Eremets, sta  ora studiando la superconduttività convenzionale a meno 70 gradi Celsius nel solfuro di idrogeno (H2S), ma per convertire la sostanza, che in condizioni normali è un gas, in un superconduttore gli scienziati hanno dovuto sottoporla ad una pressione di 1,5 megabar (1,5 milioni bar).

Eremets spiega: «Con i nostri esperimenti abbiamo stabilito un nuovo record per la temperatura alla quale un materiale diventa superconduttivo». Il suo team è stato anche il primo a dimostrare in un esperimento che ci sono superconduttori convenzionali con un’elevata temperatura  di transizione e sottolinea che «Calcoli teorici avevano già previsto questo per alcune sostanze, tra cui l’H2S. C’è un grande potenziale per la ricerca di altri materiali nei quali la superconduttività convenzionale avviene a temperature elevate. Non c’è teoricamente alcun limite per la temperatura di transizione dei superconduttori convenzionali e i nostri esperimenti fanno ragionevolmente sperare che la superconduttività possa avvenire anche a temperatura ambiente»

I ricercatori hanno generato l’altissima pressione necessaria per far diventare l‘H2S un superconduttore a temperature relativamente basse in una camera speciale a pressione con una dimensione inferiore a un centimetro cubo e spiegano che «Le due punte di diamante sul lato, che agiscono come incudini, sono in grado di aumentare costantemente la pressione alla quale il campione è sottoposto. La cella è dotata di contatti per misurare la resistenza elettrica del campione». In un’altra cella ad alta pressione, i ricercatori sono stati in grado di studiare le proprietà magnetiche di un materiale che cambia anche alla temperatura di transizione.

Dopo che i ricercatori avevano riempito la camera a pressione con solfuro di idrogeno liquido, hanno aumentato gradualmente la pressione sul campione fino a circa due megabar, cambiando la temperatura ad ogni livello di pressione. Hanno misurato la resistenza e la magnetizzazione e determinato la temperatura di transizione del materiale. «Le misure di magnetizzazione forniscono informazioni molto utili – spiegano ancora –  perché un superconduttore possiede proprietà magnetiche ideali».

Gli scienziati tedeschi ritengono che siano soprattutto gli atomi di idrogeno ad essere responsabili del fatto che l’idrogeno solforato perda la sua resistenza elettrica ad alta pressione a temperature relativamente elevate: «Gli atomi di idrogeno oscillano nel reticolo con la frequenza più elevata di tutti gli elementi, perché l’idrogeno è il più leggero. Poiché le oscillazioni del reticolo determinano la superconduttività convenzionale – e più velocemente oscillano gli atomi più lo fanno efficacemente – i materiali ad elevato contenuto idrogeno mostra una temperatura di transizione relativamente elevata. Inoltre, forti legami tra gli atomi aumentano la temperatura alla quale un materiale diventa superconduttivo. Queste condizioni sono soddisfatte in H3S, ed è precisamente questo composto che si sviluppa dall’H2S ad alta pressione».

Eremets e il suo team sono ora alla ricerca di materiali con temperature di transizione ancora più elevate e in questo caso non sarebbe necessario aumentare pressione sul  solfuro di idrogeno al di sopra degli 1.5 megabar, cosa che era già stata calcolata dai fisici teorici e che ora viene confermato anche dagli esperimenti condotti a Magonza.

Secondo Eremets, «Un candidato naturale per una temperatura di transizione elevata è l’idrogeno puro. Si prevede che sotto pressione diventerebbe superconduttore a temperatura ambiente» e il suo tem ha già avviato test con l’idrogeno puro, ma gli esperimenti sono molto difficili come sono necessarie pressioni di tre o quattro megabar.

«La nostra ricerca in idrogeno solforato ha tuttavia dimostrato che molti materiali ricchi di idrogeno possono avere una temperatura di transizione elevata  – evidenzia Eremets – Potrebbe anche essere possibile realizzare un superconduttore ad alta temperatura degno di questo nome, in termini di percezione comune della temperatura, senza un’alta pressione».

I ricercatori tedeschi attualmente hanno ancora bisogno di un’alta pressione per convertire i materiali che agiscono elettricamente come isolanti, come il solfuro di idrogeno nei metalli. «Ci possono essere polimeri o altri composti ricchi di idrogeno che possono essere convertiti dai metalli in qualche altro modo e diventare superconduttori a temperatura ambiente – conclude Eremets – Se potessimo trovare questi materiali, potremmo finalmente avere superconduttori che possono essere utilizzati per una vasta gamma di applicazioni tecniche».