Quando l'idrogeno è incorporato nella struttura del nichelato, non è un superconduttore.

Introduzione

L’estate scorsa è stata proclamata una nuova era per la superconduttività ad alta temperatura: l’età del nichel. È stato scoperto che ci sono promettenti superconduttori in una speciale classe di materiali, i cosiddetti nichelati, che possono condurre corrente elettrica senza alcuna resistenza anche alle alte temperature.

Tuttavia, divenne presto evidente che questi risultati inizialmente spettacolari della Stanford non potevano essere riprodotti da altri gruppi di ricerca. TU Wien (Vienna) ha ora trovato la ragione di ciò: in alcuni nichel sono incorporati atomi di idrogeno aggiuntivi nella struttura del materiale. Ciò modifica completamente il comportamento elettrico del materiale. Nella produzione dei nuovi superconduttori, questo effetto deve ora essere preso in considerazione.

La ricerca di superconduttori ad alta temperatura

Alcuni materiali sono superconduttori solo a temperature vicino allo zero assoluto – tali superconduttori non sono adatti per applicazioni tecniche. Per tale motivo gli scienziati sono stati per decenni alla ricerca di materiali che rimangono superconduttori anche a temperature più elevate. Negli anni ’80 furono scoperti “superconduttori ad alta temperatura“. 

In questo contesto, tuttavia, le cosiddette “alte temperature” sono ancora molto fredde: anche i superconduttori ad alta temperatura devono essere fortemente raffreddati per ottenere le loro proprietà superconduttive. Pertanto, la ricerca di nuovi superconduttori a temperature ancora più elevate continua.

Per molto tempo, è stata prestata particolare attenzione ai cosiddetti cuprati, ovvero composti contenenti rame. Ecco perché parliamo anche dell’età del rame“, spiega il prof. Karsten Held dell’Institute of Solid State Physics della TU Wien. “Con questi cuprati sono stati fatti alcuni importanti progressi, anche se oggi ci sono ancora molte domande aperte nella teoria della superconduttività ad alta temperatura“. 

Ma da qualche tempo sono state prese in considerazione anche altre possibilità. C’era già una cosiddetta “età del ferro” basata su superconduttori contenenti ferro. Nell’estate del 2019, il gruppo di ricerca di Harold Y. Hwang di Stanford è poi riuscito a dimostrare la superconduttività ad alta temperatura nei nichel. “Sulla base dei nostri calcoli, 10 anni fa abbiamo già proposto nichel come superconduttori, ma erano in qualche modo diversi da quelli che sono stati scoperti. Sono correlati ai cuprati, ma contengono nichel anziché atomi di rame“, afferma Karsten Held.

Il problema con l’idrogeno

Dopo un po’ di entusiasmo iniziale, tuttavia, negli ultimi mesi è diventato evidente che i superconduttori al nichel sono più difficili da produrre di quanto si pensasse inizialmente. Altri gruppi di ricerca hanno riferito che i loro nichelati non hanno proprietà superconduttive. Questa apparente contraddizione è stata ora chiarita alla TU Wien.

Abbiamo analizzato i nichel con l’aiuto di supercomputer e abbiamo scoperto che sono estremamente ricettivi all’idrogeno nel materiale“, riferisce Liang Si (TU Vienna). Nella sintesi di alcuni nichel, si possono incorporare atomi di idrogeno, il che modifica completamente le proprietà elettroniche del materiale. “Tuttavia, ciò non accade con tutti i nichel“, afferma Liang Si, “I nostri calcoli mostrano che per la maggior parte di essi è energeticamente più favorevole incorporare idrogeno, ma non per i nichel della Stanford. Anche piccoli cambiamenti nelle condizioni di sintesi può fare la differenza“. Venerdì scorso (il 24.04.2020) il gruppo attorno ad Ariando del NUS Singapore ha potuto riferire che sono riusciti anche a produrre nichelati superconduttori.

Calcolo della temperatura critica con supercomputer

Alla TU Wien vengono sviluppati e utilizzati nuovi metodi di calcolo per computer per comprendere e prevedere le proprietà dei nichel. “Dato che un gran numero di particelle quantistiche-fisiche svolgono sempre lo stesso ruolo, i calcoli sono estremamente complessi“, afferma Liang Si, “Ma combinando metodi diversi, ora siamo persino in grado di stimare la temperatura critica che portano ed essere i materiali superconduttori. Tali calcoli – affidabili – non erano mai stati possibili prima“.

In particolare, il team di TU Wien è stato in grado di calcolare l’intervallo consentito di concentrazione di stronzio per il quale i nickel sono superconduttori – e questa previsione è stata ora confermata nell’esperimento.

La superconduttività ad alta temperatura è un campo di ricerca estremamente complesso e difficile“, afferma Karsten Held. “I nuovi superconduttori al nichel, insieme alla nostra comprensione teorica e al potere predittivo dei calcoli al computer, aprono una prospettiva completamente nuova sul grande sogno della fisica dello stato solido: un superconduttore a temperatura ambiente che quindi funziona senza alcun raffreddamento“.

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