Superconduttori ad alte temperature: il fattore H

I superconduttori sono tra i materiali che rivoluzioneranno il nostro futuro e la loro applicazione a temperatura ambiente è uno dei traguardi più attesi nel mondo della fisica, nonché dell’industria.

Tra i fuochi d’artificio di inizio anno, non sono mancati anche quelli nella comunità scientifica: è del 14 gennaio, infatti, la pubblicazione della scoperta di superconduttività oltre i 260 K, ovvero a poco meno di 13 gradi Celsius sotto lo zero, nel composto LaH₁₀ (Idrato di Lantanio).

La ricerca è stata condotta da un team della Washington University, in collaborazione con altri istituti americani, ed è stata pubblicata su Physical Review Letters, una delle più prestigiose riviste di fisica al mondo. In questo lavoro, i ricercatori spiegano come sia stato possibile raggiungere tale risultato attraverso la metallizzazione degli idrati (composti dell’Idrogeno).

Ma facciamo un passo indietro: cosa sono i superconduttori e perché si parla di queste temperature?

I superconduttori sono dei materiali scoperti nei primi anni del ventesimo secolo, cioè quando si rese possibile liquefare l’elio (ció avviene a 4.2 K, ovvero quasi -270 gradi Celsius!). Grazie proprio all’elio liquido, si notò che, ponendolo a contatto con tali leghe, la corrente elettrica poteva fluire in esse senza alcuna resistenza, centinaia di volte meglio del miglior conduttore al mondo, l‘argento. Non solo: tali materiali mostravano uno strano comportamento nei confronti dei campi magnetici, riuscendo a schermarli se non addirittura a respingerli del tutto (effetto Meissner). Il problema, va da sé, erano queste temperature di lavoro proibitive, non a caso dette temperature critiche.

L’evoluzione della ricerca. Nel corso degli anni la ricerca ha fatto passi da gigante, fino ad arrivare a consegnare al mondo delle applicazioni concrete: fili, cavi, magneti costruiti con superconduttori, con temperature critiche che spesso superano di ben oltre i 100 K (circa meno 173 Celsius), consentendo dunque di utilizzare l’azoto liquido al posto dell’elio per la loro refrigerazione. Questi ultimi, detti HTS (High Temperature Superconductors) permettono dunque un grande risparmio: il prezzo dell’azoto liquido si aggira oggi, se acquistato in stock, introno agli 0.18E per litro. Le applicazioni dei superconduttori in diversi settori sono già concrete: treni, processori, apparecchiature mediche, macchine che conservano al loro interno energia senza perdite, sono già attuali e disponibili sul mercato. Nonostante ciò, una crescita ed espansione delle tecnologie ottenibili tramite l’impiego di questi materiali non ha ancora convinto a pieno il mondo dell’Industria. E il motivo è semplice: costruire impianti di raffreddamento – detti criogenici – è spesso scomodo, non miniaturizzabile e scarsamente attrattivo per chi cerca un profitto più o meno nel breve.

Il fattore H. È proprio l’elemento più leggero al mondo a farla da padrone sul panorama della ricerca a queste temperature così alte: negli ultimi dieci anni sono stati diversi i passi di avvicinamento a queste vette.
Il protagonista è sempre l’H, l’idrogeno. Alcune teorie della superconduttività, fin dagli anni ’60, portano infatti a pensare che tanto più leggero sia l’elemento a diventare superconduttivo, tanto più alta sarà la sua temperatura critica. I primi tentativi sono stati effettuati provando a legare l’idrogeno con l’S, lo zolfo. Il maleodorante composto creatosi ha di fatto stabilito il primo grande record dell’era recente nella superconduttività: 208 K nel 2014, nella sua forma H₃S, attraverso il lavoro dei ricercatori tedeschi del Max Planck Institute: ciò che si cerca di fare è metallizzare l’idrogeno in un reticolo con lo zolfo, con cui altrimenti formerebbe solo un composto gassoso. Purtroppo, tali esperimenti comprendono l’applicazione di enormi pressioni, , superiori ai 150 GPa (più di un milione di volte la pressione atmosferica), necessarie per comprimere e impacchettare tali elementi. Il risultato è un superconduttore tanto semplice quanto sbalorditivo.
Nel corso degli anni si è dunque deciso di provare a legare l’idrogeno con altri elementi: fosforo, palladio, uranio. I risultati hanno incoraggiato i ricercatori a sfidare le difficoltà di una nuova chimica, fatta di elementi metastabili (ovvero stabili in una certa struttura solo a determinate condizioni di temperatura e pressione) e di utensili da lavoro prossimi al loro limite fisico (pensate che i diamanti, utilizzati per comprimere a queste pressioni gli idrati, spesso arrivano al loro punto di rottura vanificando l’esperimento). Questa volta, con pressioni intorno a i 180GPa, l’elemento coprotagonista dell’idrogeno è stato il Lantanio, una cosiddetta terra rara. I campioni preparati hanno fatto riscontrare l’attesa riduzione di resistività, risultato incoraggiante perché previsto alla stessa temperatura anche dalla teoria. Una volta confermato sperimentalmente anche l’effetto Meissner, si avrà il quadro totale di questa scoperta.

Non ci resta che sperare che anche in Siberia, dove di inverno le temperature medie sono spesso intorno ai -30 gradi Celsius, abbiano sentito parlare di superconduttori. La svolta è dietro l’angolo.