"Riteniamo che questa sia ora una nuova era di superconduttività", ha detto Russell Hemley, scienziato dei materiali alla George Washington University di Washington, DC, una folla di ricercatori il 4 marzo all'incontro di marzo dell'American Physical Society.
Le immagini illuminavano lo schermo alle sue spalle: uno schema di un dispositivo per schiacciare minuscole cose tra i punti superhard di diamanti opposti, grafici di temperatura e resistenza elettrica, una sfera luminosa con una "X" nera e ruvida tagliata al centro.
Quest'ultima immagine era l'incarnazione della nuova era stessa: un piccolo campione di superidruro di lantanio (o LaH10) schiacciato a pressioni simili a quelle trovate a metà del nucleo terrestre e riscaldato con un laser a temperature che si avvicinavano a una vivace giornata di fine inverno nel New England . (Questo è il calore bruciante per gli standard della ricerca sulla superconduttività, di solito condotto in condizioni estreme di freddo di laboratorio). In quelle condizioni, aveva scoperto Hemley e il suo team, LaH10 sembra smettere di resistere al movimento degli elettroni tra i suoi atomi. Apparentemente diventa, come lo ha definito Hemley nel suo discorso sull'APS e in un articolo pubblicato il 14 gennaio sulla rivista Physical Review Letters, un "superconduttore a temperatura ambiente".
Scienza congelata
Nel 1911, il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes scoprì che a temperature estremamente basse, alcune sostanze presentano proprietà elettriche insolite.
In circostanze normali, una corrente elettrica che passa attraverso un materiale conduttivo (come un filo di rame) perderà una certa intensità lungo il percorso. Anche gli ottimi conduttori che utilizziamo nelle nostre reti elettriche sono imperfetti e non riescono a trasportare tutta l'energia da una centrale elettrica alla presa a muro. Alcuni elettroni si perdono lungo la strada.
Ma i superconduttori sono diversi. Una corrente elettrica introdotta in un circuito di filo superconduttore continuerà a circolare per sempre, senza alcuna perdita. I superconduttori espellono i campi magnetici e quindi allontanano con forza i magneti. Hanno applicazioni nel calcolo ad alta velocità e altre tecnologie. Il problema è che i tipi di temperature estremamente basse a cui normalmente funzionano i superconduttori li rendono poco pratici per l'uso comune.
Caccia senza una mappa
Per più di un secolo, i fisici hanno cercato la superconduttività nei materiali più caldi. Ma trovare la superconduttività è un po 'come colpire l'oro: l'esperienza e le teorie passate potrebbero dirti ampiamente dove cercarla, ma in realtà non saprai dove si trova fino a quando non esegui il costoso e dispendioso lavoro di verifica.
"Hai così tanti materiali. Hai un enorme spazio da esplorare", ha detto Lilia Boeri, un fisico dell'Università Sapienza di Roma, che ha presentato il lavoro dopo Hemley esplorando la possibilità di superconduttori anche più caldi di LaH10, e spiegando perché materiali come questo sono superconduttivo a pressioni estreme.
Nel 1986, i ricercatori hanno scoperto ceramiche superconduttive a temperature fino a 30 gradi sopra lo zero assoluto, o meno 406 gradi Fahrenheit (meno 243 gradi Celsius). Più tardi, negli anni '90, i ricercatori hanno esaminato seriamente le pressioni molto elevate, per vedere se potevano rivelare nuovi tipi di superconduttori.
Ma a quel punto, Boeri ha detto a Live Science, non c'era ancora alcun buon modo per determinare se un materiale si sarebbe rivelato superconduttivo o a quale temperatura lo avrebbe fatto, fino a quando non è stato testato. Di conseguenza, i record di temperatura critica - le temperature a cui appare la superconduttività - sono rimasti molto bassi.
"Il quadro teorico era lì, ma non avevano la capacità di usarlo", ha detto Boeri.
Il prossimo grande passo avanti fu nel 2001, quando i ricercatori mostrarono che il diboruro di magnesio (MgB2) era superconduttivo a 39 gradi sopra lo zero assoluto, o meno 389 F (meno 234 C).
"era piuttosto basso", ha detto, "ma a quel tempo è stato un grande passo avanti, perché dimostrava che potresti avere una superconduttività con una temperatura critica che era doppia rispetto a quanto precedentemente ritenuto possibile".
Schiacciamento dell'idrogeno
Da allora, la caccia ai superconduttori caldi si è spostata in due modi chiave: gli scienziati dei materiali hanno capito che gli elementi più leggeri offrivano possibilità allettanti per la superconduzione. Nel frattempo, i modelli al computer sono avanzati al punto in cui i teorici potevano prevedere in anticipo esattamente come i materiali potevano comportarsi in circostanze estreme.
I fisici hanno iniziato nel posto ovvio.
"Quindi, vuoi usare elementi di luce e l'elemento più leggero è l'idrogeno", ha detto Boeri. "Ma il problema è l'idrogeno stesso - questo non può essere reso superconduttore, perché è un isolante. Quindi, per avere un superconduttore, devi prima renderlo un metallo. Devi fare qualcosa per esso e la cosa migliore che puoi fare è spremerlo. "
In chimica, un metallo è praticamente qualsiasi collezione di atomi legati insieme perché si trovano in una zuppa a flusso libero di elettroni. La maggior parte dei materiali che chiamiamo metalli, come rame o ferro, sono metallici a temperatura ambiente e a pressioni atmosferiche confortevoli. Ma altri materiali possono diventare metalli in ambienti più estremi.
In teoria, l'idrogeno è uno di questi. Ma c'è un problema.
"Ciò richiede una pressione molto più elevata di quella che si può fare utilizzando la tecnologia esistente", ha affermato Hemley nel suo intervento.
Ciò lascia i ricercatori a caccia di materiali contenenti molto idrogeno che formeranno metalli e, si spera, diventeranno superconduttivi, a pressioni raggiungibili.
In questo momento, ha detto Boeri, i teorici che lavorano con i modelli di computer offrono agli sperimentali materiali che potrebbero essere superconduttori. E gli sperimentatori scelgono le migliori opzioni per testare.
Ci sono limiti al valore di quei modelli, tuttavia, ha detto Hemley. Non tutte le previsioni si estendono in laboratorio.
"Si possono usare i calcoli in modo molto efficace in questo lavoro, ma è necessario farlo in modo critico e fornire in definitiva test sperimentali", ha detto alla folla riunita.
Il "superconduttore a temperatura ambiente" di Hemley e del suo team, LaH10, sembra essere il risultato più eccitante di questa nuova era di ricerca. Schiacciato a circa 1 milione di volte la pressione dell'atmosfera terrestre (200 gigapascals) tra i punti di due diamanti contrapposti, un campione di LaH10 sembra diventare superconduttivo a 260 gradi sopra lo zero assoluto, o 8 F (meno 13 C).
Un'altra serie dell'esperimento descritto nello stesso articolo sembra mostrare una superconduttività a 280 gradi sopra lo zero assoluto, o 44 F (7 ° C). È una temperatura ambiente fredda, ma non troppo difficile da raggiungere.
Hemley ha concluso il suo discorso suggerendo che, lungo la strada, questo lavoro ad alta pressione potrebbe portare a materiali che sono superconduttori sia a temperature calde che a pressioni normali. Forse un materiale, una volta pressurizzato, potrebbe rimanere un superconduttore dopo il rilascio della pressione, ha detto. O forse le lezioni sulla struttura chimica apprese ad alte temperature potrebbero indicare la via verso strutture superconduttive a bassa pressione.
Sarebbe un punto di svolta, ha detto Boeri.
"Questa cosa è sostanzialmente una ricerca fondamentale. Non ha applicazione", ha detto. "Ma diciamo che ti viene in mente qualcosa che funziona a pressione, diciamo, 10 volte più in basso di adesso. Questo apre la porta a cavi superconduttori, altre cose."
Alla domanda se si aspetta di vedere un superconduttore a temperatura ambiente, a pressione ambiente durante la sua vita, annuì con entusiasmo.
"Di sicuro", ha detto.
