Nickelati a Doppio Strato: Una Nuova Classe di Superconduttori ad Alta Temperatura

Limitazioni della Superconduttività

L’elettricità è stata una delle tecnologie più trasformative della storia, consentendo la trasmissione di una forma di energia molto utile su lunghe distanze. Ma ogni sistema elettrico “normale” presenta resistenza elettrica, il che genera calore quando viene applicata una corrente elettrica.

Esiste un’alternativa: i cosiddetti materiali superconduttivi. I materiali superconduttivi hanno una resistenza elettrica pari a zero, il che permette di utilizzare correnti estremamente potenti senza generare calore.

Senza la superconduttività, molte tecnologie moderne non sarebbero possibili, inclusi gli acceleratori di particelle (ad esempio, il CERN), la MRI e i treni a levitazione magnetica.

La superconduttività sarà un componente cruciale dei megaprogetti più promettenti e dell’innovazione tecnologica, come ITER e la fusione nucleare, i mass driver, i computer quantistici, ecc.

Le linee elettriche a perdita zero potrebbero anche essere cruciali nello sviluppo di connessioni di rete ultra-lunghe, aiutando a tamponare la produzione di energie rinnovabili rispetto alle condizioni meteorologiche e ai fusi orari, risolvendo alcune delle limitazioni dell’energia solare e eolica.

Fonte: XOT Metals

Tuttavia, finora la superconduttività è stata padroneggiata solo per materiali che la mostrano a temperature ultra-basse, appena pochi gradi sopra lo zero assoluto, o a pressioni estremamente elevate.

Ciò la rende non solo troppo complessa per tutte le applicazioni tranne le più esigenti (levitazione magnetica, MRI, ecc.), ma anche molto costosa, rendendola poco economica per molte applicazioni che potrebbero beneficiare di materiale superconduttivo o di un uso su larga scala.

Molti Percorsi Verso la Superconduttività

Ora sembra che il materiale prodotto ad alta pressione possa conservare parte della sua superconduttività a pressione più bassa, through an experimental method called pressure-quench protocol (PQP).

Recentemente, il twisted bilayer of WSe₂ (tungsten selenium) è apparso come un buon candidato materiale per superconduttori a temperatura più alta.

Quindi, dopo anni di lento progresso, sembra che i fisici stiano iniziando a sbloccare modi completamente nuovi di creare materiali superconduttori. E ora ne è stato aggiunto uno nuovo alla lista, con una nuova famiglia di superconduttori contenenti nichel.

Ricercatori cinesi della Southern University of Science and Technology a Shenzhen e della Tsinghua University hanno scoperto che i superconduttori nickelati a doppio strato conducono elettricità senza resistenza, ben al di sopra dello zero assoluto e a pressione atmosferica.¹

Hanno pubblicato i loro risultati sulla prestigiosa rivista scientifica Nature, con il titolo “Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films”.

Superconduttori Non Troppo Freddi

La superconduttività ad alta temperatura potrebbe un giorno diventare un’opzione, in particolare con il caso enigmatico di LK-99 (una forma di apatite di piombo sostituita al rame – CSLA), un nuovo tipo di superconduttore a pressione atmosferica e temperatura ambiente.

La affermazione è stata immediatamente contestata e criticata come una frode o un errore di misurazione, ma poi altri ricercatori hanno scoperto che potrebbe esserci qualcosa in realtà.

Ma questa non è l’unica classe di superconduttori che potrebbe funzionare a temperature più elevate.

È stato recentemente scoperto che due gruppi di ceramiche (cuprati a base di rame e pnictili a base di ferro) funzionano come superconduttori non convenzionali che operano a pressione atmosferica e a temperature fino a 150 K (–123 °C / -189 °F).

Fonte: Materials Today

Ora sembra che i nickelati si stiano unendo a queste ceramiche per creare un materiale che funzioni come superconduttore a temperature più elevate.

Anche se non così caldo, è molto più facile raggiungere una temperatura rispetto ai superconduttori attuali. Per esempio, i superconducting magnets of ITER dovranno essere raffreddati quasi allo zero assoluto con elio liquido, una procedura molto energivora e costosa.

Nel complesso, ciò indica che i superconduttori probabilmente diventeranno molto più comuni nel medio termine, poiché molte più forme di essi stanno venendo scoperte e sperimentate.

Nickelati Superconduttori

Il nickelato è stato scoperto avere potenziali proprietà superconduttive nel 2019 da Danfeng Li, un fisico della City University of Hong Kong, e dal suo collega. Nel 2023, un altro team ha dimostrato la superconduttività dei nickelati a temperature più elevate, ma sotto alta pressione.

Fonte: Nature

Ma è stato nel dicembre 2024 che i nickelati sono stati rilevati per la prima volta perdere resistenza a una temperatura critica ed espellere campi magnetici, entrambe forti indicazioni di superconduttività.

Per ottenere questo risultato, sono stati coltivati film monocristallini di La2.85Pr0.15Ni2O7 (lantanio-praseodimio-nichel) usando una tecnica chiamata gigantic-oxidative atomic-layer-by-layer epitaxy (GOALL-Epitaxy). Questa tecnica è stata sviluppata dallo stesso team di ricercatori e fornisce diversi ordini di grandezza di ossidazione più forte e precisione nella produzione di strati di materiale a livello atomico.

Fonte: Research Gate

Sono stati utilizzati metodi analitici avanzati per studiare il composto a base di nichel, inclusi immagini di microscopia elettronica a trasmissione in scansione (STEM) e mappature dello spazio reciproco a raggi X (RSM).

Hanno rivelato la comparsa di una fase tetragonale nello strato di ossido di nichel, che potrebbe essere responsabile del libero flusso di elettroni nelle condizioni appropriate.

Migliorare i Materiali Superconduttori

Il metodo usato come test preliminare per migliorare le proprietà del nickelato può essere ulteriormente perfezionato. Ciò dovrebbe portare a molteplici test per aumentare ulteriormente la temperatura di questi superconduttori.

“C’è una grande speranza che potremmo eventualmente aumentare la temperatura critica e rendere tali materiali più utili per le applicazioni.”
Danfeng Li – Physicist at the City University of Hong Kong.

L’analisi indica che il processo che conferisce ai nickelati la superconduttività è simile a quello che influenza i cuprati (realizzati con rame).

“Aumentare questo è una priorità. Il team sta provando vari trucchi per modificare il modo in cui il materiale è coltivato e la sua composizione precisa.”
Zhuoyu Chen – Physicist at SUSTech

Esperimenti Prima della Teoria

Va notato che i risultati recenti riguardanti i superconduttori ad alta temperatura, o anche i potenziali superconduttori a temperatura ambiente, stanno avanzando rispetto alla fisica teorica nel campo.

Quindi, il motivo per cui funziona è ancora un mistero. Non esiste ancora una spiegazione completa del perché questi materiali siano superconduttori, e ancora meno un metodo predittivo per prevedere quale materiale possa mostrare queste caratteristiche.

Finora, la necessità di condizioni ad alta pressione o iper-fredda ha gravemente ostacolato lo studio di questi materiali, poiché era difficile testare qualcosa quando la superconduttività avviene solo in un incudine di diamante o con elio liquido.

Condizioni più facili da mantenere dovrebbero dare molto più margine di manovra agli scienziati per studiare questi materiali e modificarli.

Questo lascia quindi ampio spazio per miglioramenti, e una migliore comprensione di questi materiali, anche con l’aiuto dell’IA, dovrebbe consentire di andare oltre.

Dovrebbe anche attirare più ricercatori nel campo e più aziende a destinare budget di R&D a questi progetti, accelerando il ritmo dei progressi.

Applicazioni Future

I superconduttori ad alta temperatura sarebbero un materiale meraviglioso immediato se compresi a sufficienza per la loro produzione su larga scala.

Il primo effetto immediato sarebbe ridurre il costo delle apparecchiature che già sfruttano la superconduttività, come MRI, treni a levitazione magnetica, turbine e generatori avanzati, acceleratori di particelle, reattori di fusione sperimentali, ecc.

Consentirebbe anche tecnologie che finora non potevano essere realizzate o erano proibitivamente costose a causa delle limitazioni tecniche dei superconduttori a bassa temperatura.

Ciò include i treni hyperloop, i mass driver per raggiungere l’orbita, la fusione nucleare commerciale, le connessioni di rete intercontinentali, ecc. Ognuna di queste è una tecnologia che altererebbe per sempre il percorso della civiltà umana.

Leader nelle Soluzioni di Superconduttività

AMSC è un’azienda che fornisce soluzioni energetiche per la rete elettrica, le navi e l’energia eolica. In generale, più un sistema è affamato di energia o massiccio, più richiede la tecnologia superconduttiva per evitare il surriscaldamento.

Nonostante il suo nome, ASMC fornisce non solo sistemi superconduttori ma anche, ad esempio, trasmissioni di ingranaggi per turbine eoliche.

L’azienda sta cavalcando molteplici fattori di crescita, dalla tendenza all’elettrificazione e alla digitalizzazione (inclusi i data center AI), ma anche il reshoring delle capacità produttive statunitensi e la necessità per le marine dell’Anglosfera di modernizzarsi in risposta ai crescenti rischi geopolitici.

Fonte: American Superconductor Corporation [securities_stock_price_tag symbol="AMSC" exchange="NASDAQ"]

Nel segmento dell’alimentazione elettrica, AMSC ha registrato un costante aumento degli ordini. Questo è stato guidato dalle fabbriche di semiconduttori che cercano di essere protette dalle fluttuazioni della rete elettrica, aiutando la rete a gestire la natura intermittente delle energie rinnovabili, e dall’alimentazione e controllo nei siti industriali.

Fonte: American Superconductor Corporation

Nel segmento delle turbine eoliche, AMSC è principalmente attiva con il Sistema di Controllo Elettrico (ECS). Storicamente, ESC era un segmento forte per l’azienda con le turbine eoliche da 2 MW, ma è progressivamente diminuito. AMSC punta a una ripresa grazie al nuovo design della turbina da 3 MW, con un’attenzione speciale al mercato indiano.

Fonte: American Superconductor Corporation

Per le navi militari, ASMC fornisce il “High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure” di AMSC, un sistema per modificare la firma magnetica delle navi per proteggerle dalle mine marine. Questo è venduto alle marine degli Stati Uniti, del Canada e del Regno Unito, con ordini per un valore di 75 milioni di dollari finora.

Nel complesso, ASMC sta ottenendo i migliori risultati sfruttando la tecnologia dei superconduttori in applicazioni di nicchia attualmente fattibili, pur essendo probabilmente pronta a implementare ulteriori progressi in futuro. Gli investitori dovrebbero anche notare che il titolo ha sperimentato un’estrema volatilità in passato, e calcolare i rischi di conseguenza.

Ultime Notizie su American Superconductor Corporation

Riferimento dello Studio:

^{1.Zhou, G., Lv, W., Wang, H. et al.(2025) Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z}