Foto: Steve Jacobsen/Northwestern
La notizia è di quelle che fanno sensazione: è stato scoperto un nuovo superconduttore che funziona a temperatura ambiente, il miraggio inseguito negli ultimi decenni da schiere di fisici e di ingegneri. Si tratterebbe cioè di un materiale che si lascia attraversare da elevatissimi valori di corrente elettrica senza opporre resistenza, ovvero senza disperdere energia sotto forma di calore secondo il fenomeno noto come effetto Joule.
Oggi, secondo lo studio pubblicato da Nature e ripreso da Science, questo sogno sarebbe più vicino a diventare realtà. L’annuncio, fatto da un gruppo di ricerca dell’università di Rochester, costituirebbe una vera svolta per il settore: per la prima volta un materiale ottenuto dalla combinazione di idrogeno, zolfo e carbonio, avrebbe manifestato caratteristiche superconduttive a una “temperatura critica” (Tc) di circa 15 gradi sopra lo zero: quella di una giornata autunnale o di una cantina per far invecchiare del buon vino. Piccolo particolare: è necessaria anche una pressione enorme, circa 267 gigapascal, equivalente a due milioni e mezzo di quella atmosferica, più o meno i tre quarti di quella presente nel centro della Terra.
La superconduttività fu sperimentata per la prima volta nel 1911 dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes in un filamento di mercurio raffreddato a una temperatura di appena 4,2 gradi Kelvin, ovvero appena quattro gradi sopra lo zero assoluto. “Kamerlingh Onnes stava conducendo i suoi studi sull’elio liquido, che lo avrebbero portato al premio Nobel, quando per caso si accorse del fenomeno – commenta per Il Bo Live Giampaolo Mistura, docente di fisica presso l’università di Padova –. Si trattava di una vera e propria transizione di fase, un cambiamento qualitativo piuttosto che quantitativo associato alla comparsa di una nuova simmetria nel materiale. Un materiale può essere più o meno conduttivo, ma sotto una temperatura critica, tipica di ogni composto, la resistenza elettrica si annulla e questo può essere attraversato da una corrente elettrica senza scaldarsi e senza dissipare energia”.
“ Si tratta di un esperimento importante ma non rivoluzionario. Rimane il grosso problema della pressione
Il fenomeno sarebbe stato spiegato solo decenni più tardi da John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer con una teoria basata sulla fisica quantistica (chiamata BCS dalle loro iniziali) che nel 1972 valse anche a loro il Nobel per la fisica. Intanto però era già cominciata la lunga marcia su per il termometro, alla ricerca di materiali in cui la superconduttività si presentasse in condizioni più accessibili. All’inizio si provò soprattutto con metalli come mercurio, stagno e alluminio, che però transiscono a temperature molto basse, tipicamente sotto i 10 gradi Kelvin; in seguito vennero sperimenti anche altri materiali, ad esempio speciali ceramiche. Si trattava però ancora di temperature abbondantemente al di sotto dello zero, spesso ottenibili solo con l’azoto liquido. “La svolta teorica arrivò alla fine anni ’60, quando il fisico britannico Neil Ashcroft predisse che l’idrogeno, reso metallico ad alte pressioni, avrebbe potuto diventare superconduttore a una temperatura molto elevata – continua Mistura –. Dopo quello studio iniziò la corsa verso l’idrogeno metallico, che però all’inizio fu molto frustrante a causa delle enormi difficoltà tecniche. In seguito fu lo stesso Ashcroft a suggerire di lavorare su composti in cui l’idrogeno era combinato con altri elementi come il carbonio e lo zolfo, in modo da dare stabilità e ridurre la pressione necessaria”.
Si arriva così quasi ai giorni nostri. “Già nel 2015 con la tecnologia a cella di diamante alcuni esperimenti avevo portato la temperatura critica a 240-250 gradi Kelvin (all’incirca tra i 20 e 30 gradi sottozero, ndr): adesso abbiamo finalmente superato anche la soglia degli zero gradi centigradi”. Il fisico padovano invita comunque alla prudenza: “Si tratta di un esperimento importante ma da un certo punto di vista non rivoluzionario. E rimane il grosso problema della pressione”. È ancora presto insomma per cantare vittoria e soprattutto per guardare a possibili ricadute concrete: per Mistura “è impensabile al momento qualsiasi applicazione nel breve termine. Per cominciare non è stata ancora compresa la struttura cristallina del nuovo composto, al momento abbiamo solo i risultati di una prova empirica. Questi adesso saranno verificati da vari gruppi di ricerca, poi si proverà a variare le concentrazioni dei diversi elementi o ad introdurne di nuovi, cercando di abbassare la pressione necessaria. Ricordiamo che al momento le quantità studiate sono micrometriche, quelle che in pratica racchiuse tra due punte di diamante: solo in questi casi per ora si si riescono a raggiungere queste proprietà. E una volta rilasciata la pressione il sistema non funziona più”.
Al momento le applicazioni concrete di superconduttori sono piuttosto limitate: “Le leghe niobio-tantalio vengono usate ad esempio per costruire magneti molto potenti come quelli del Cern – prosegue Mistura –. Altri esempi sono le bobine usate per le risonanze magnetiche: con materiali a temperatura ambiente il costo dei macchinari si ridurrebbe a un decimo”. Che altri impatti avrebbero nuovi superconduttori più stabili e accessibili? “Basti pensare che oggi almeno il 5-10% dell’energia viene dissipata in riscaldamento non voluto a causa dell’effetto Joule. Avremmo poi computer più potenti e batterie più durature: uno degli ostacoli al loro potenziamento sta proprio nel fatto che con il passaggio dell’elettricità si scaldano. Questi però sono solo esempi tra tanti: l’utilizzo esteso dei superconduttori sarebbe una rivoluzione folle, dal punto di vista tecnologico e ambientale”.
