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I superconduttori a temperatura ambiente possono funzionare senza pressioni estreme?

I fisici mirano a creare materiali pratici che conducano l’elettricità con resistenza zero

I fisici hanno creato un nuovo superconduttore ad alta temperatura consentendo all’idrogeno (argento) di diffondersi attraverso un sottile strato di palladio (rosa) sull’ittrio (blu) e spremendo il materiale ad alte pressioni.

DEAN SMITH

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Di Emily Conover

19 MARZO 2021 ALLE 13:02

Per decenni, gli scienziati hanno cercato un superconduttore a temperatura ambiente. Ora che ne hanno finalmente trovato uno, si va a caccia di un materiale ancora migliore.

Fino all’anno scorso, tutti i superconduttori conosciuti – materiali che conducono elettricità senza resistenza – dovevano essere raffreddati, molti a temperature estremamente basse, rendendoli poco pratici per l’uso nella maggior parte dei dispositivi elettronici. Nel 2020, il fisico Ranga Dias e colleghi hanno riferito che un composto di carbonio, zolfo e idrogeno era superconduttore a temperatura ambiente (SN: 10/14/20). Ma la necessità di raffreddamento era stata sostituita da un altro requisito poco pratico: il materiale doveva essere frantumato a 267 gigapascal, più di due milioni di volte la pressione atmosferica terrestre.

Ora, gli scienziati stanno escogitando strategie per alleviare la compressione, forse anche abbassando le pressioni ai livelli atmosferici. “Questo è ciò che vogliamo veramente fare”, afferma Dias, dell’Università di Rochester a New York.

Un superconduttore che funziona a temperatura ambiente e pressione atmosferica potrebbe essere integrato in un’ampia varietà di dispositivi elettronici, consentendo computer migliorati e treni levitanti avanzati e risparmiando enormi quantità di energia nella rete elettrica.

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Ma come trovare superconduttori che funzionino vicino alla temperatura ambiente e richiedano meno pressione? “Penso che questa sia ora la grande domanda rimasta sul campo”, ha detto il 16 marzo la fisica Lilia Boeri dell’Università Sapienza di Roma in una riunione online dell’American Physical Society. Durante l’incontro, diversi gruppi di fisici hanno riferito di aver fatto progressi.

Alla ricerca di superconduttori

Per trovare il prossimo grande superconduttore, è utile sapere da dove iniziare a cacciare. Gli scienziati stanno usando calcoli informatici per determinare teoricamente le strutture e le proprietà dei materiali e guidare la ricerca, ha detto il 16 marzo alla riunione la chimica teorica Eva Zurek. Questa strategia ha dato i suoi frutti in passato. “La teoria ha svolto un ruolo molto importante, in alcuni casi prevedendo queste strutture prima che fossero realizzate”, ha detto Zurek, dell’Università di Buffalo a New York. Ad esempio, tali previsioni hanno portato i ricercatori a un composto di lantanio e idrogeno che è stato scoperto nel 2018 essere superconduttore a temperature allora record fino a circa –13 ° Celsius (SN: 9/10/18).

Ora, le previsioni hanno guidato gli scienziati verso i superconduttori fatti di ittrio e idrogeno, ha riferito Dias il 18 marzo al meeting APS, in un lavoro svolto in collaborazione con Zurek. Superconduttore fino a circa –11 ° C, il superconduttore ittrio-idrogeno di Dias è uno dei superconduttori a più alta temperatura conosciuti. Mentre il superconduttore di carbonio, zolfo e idrogeno di Dias è ancora il detentore del record di temperatura, il nuovo materiale richiede una pressione significativamente più bassa, anche se a 182 gigapascal, non è ancora una semplice compressione. Anche Dias e Zurek hanno riportato i loro risultati il ​​19 marzo in Physical Review Letters.

L’elenco dei detentori del record di alta temperatura è dominato dai superconduttori ricchi di idrogeno. Ci si aspetta che l’idrogeno puro diventi un metallo quando viene schiacciato, uno che sarebbe un superconduttore a temperatura ambiente (SN: 8/10/16). Ma quell’idrogeno metallico richiede pressioni così estreme che si è rivelato difficile da creare. Aggiungendo un altro elemento, come il lantanio o l’ittrio, gli scienziati hanno creato superconduttori che funzionano in modo simile all’elusivo idrogeno metallico, ma a pressioni inferiori.

I calcoli teorici hanno ora esplorato tutte le combinazioni di idrogeno e qualsiasi altro singolo elemento, alla ricerca di probabili superconduttori. La nuova frontiera sta calcolando le combinazioni di due elementi con l’idrogeno, come il composto carbonio-zolfo-idrogeno che Dias ha trovato sperimentalmente. Ma questo compito pone un’ulteriore sfida: troppe coppie di elementi tra cui scegliere. “Ci esploderà in faccia il numero di combinazioni possibili”, dice Zurek. Tuttavia, uno studio ha già suggerito che questa tecnica avrà successo nel ridurre la pressione.

Studio di nuovi materiali

Una combinazione di lantanio, boro e idrogeno può essere superconduttore a pressioni inferiori, Boeri e colleghi hanno riferito durante l’incontro e in un documento pubblicato il 22 febbraio su arXiv.org. La struttura chimica è simile a quella del superconduttore del 2018 fatto di lantanio e idrogeno, dove una gabbia di atomi di idrogeno circonda un atomo di lantanio. Nel nuovo composto, gli atomi di boro riempiono uno spazio vuoto aggiuntivo intorno alla gabbia. Ciò fornisce una pressione chimica aggiuntiva, ha detto Boeri, il che significa che, se il materiale fosse creato in laboratorio, potrebbe mantenere la sua superconduttività anche quando la pressione esterna è di soli 40 gigapascal. La temperatura prevista richiesta è inferiore, a –147 ° C, ma è ancora relativamente calda rispetto alla maggior parte dei superconduttori.

“Siamo rimasti piuttosto sorpresi che avrebbe funzionato in questo modo”, dice Boeri. Normalmente, i chimici si aspetterebbero che il boro formi legami con l’idrogeno, piuttosto che agire semplicemente per penetrare nella gabbia dell’idrogeno. Ma la chimica sotto pressione infrange le normali regole.

Ecco perché i calcoli sono così importanti nella ricerca di superconduttori, afferma Zurek. I metodi computazionali di ricerca di nuovi materiali sotto pressione possono trovare strutture che la normale intuizione, basata sulla chimica a pressione ambiente, non avrebbe concepito. I database delle strutture chimiche non includerebbero questi materiali, “né la nostra immaginazione chimica avrebbe potuto sognarli prima di trovarli sul computer”, ha detto.

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