NUS scopre materiale privo di rame con superconduttività ad alta temperatura

Il Potenziale della Superconduttività

L’elettricità è una delle tecnologie più importanti mai inventate dall’umanità. Nella sua forma abituale, presenta sempre un certo livello di resistenza elettrica, generando calore quando una corrente elettrica circola. Ciò può comportare limitazioni severe per alcune applicazioni che richiedono correnti o campi magnetici troppo potenti, poiché potrebbe far fondere semplicemente qualsiasi sistema elettrico.

Un’alternativa è la superconduttività, un fenomeno in cui la resistenza elettrica scende a zero. Tuttavia, per molto tempo è stato osservabile solo a temperature ultra‑basse, vicine allo zero assoluto (0 K), ovvero circa -273 °C/-387 K.

Ciò è cambiato con una scoperta premiata con il Premio Nobel per la Fisica nel 1987: superconduttori ad alta temperatura composti da ossidi di rame.

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

La superconduttività sarà altrettanto un componente cruciale dei progetti megaprogettuali più promettenti e delle innovazioni tecnologiche, come ITER e la fusione nucleare, i propulsori di massa, 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

Alta Temperatura Superconduttività

Per ora, il requisito di bassa temperatura rende la superconduttività economicamente praticabile solo per applicazioni di alto livello: levitazione magnetica, MRI, ecc.

E sebbene scientificamente interessante, la superconduttività ad alta pressione è relativamente inutile in termini di applicazioni pratiche.

Negli ultimi tempi si è verificato notevole progresso nel campo della superconduttività che potrebbe cambiare la situazione:

• Ora sembra che il materiale prodotto ad alta pressione possa conservare parte della sua superconduttività a pressione più bassa tramite un metodo sperimentale chiamato protocollo di scarico di pressione (PQP).
• Stratodoppio attorcigliato di WSe₂ (tungsteno selenio) sembra anche un buon candidato materiale per superconduttori a temperatura più alta.
• Un’altra nuova classe di potenziali superconduttori, i nickelati a doppio strato, potrebbe essere stata aggiunta alla lista anche quest’anno.
• Poi è emerso il caso enigmatico di LK-99 (una forma di apatite di piombo sostituita al rame – CSLA), potenzialmente un nuovo tipo di superconduttore a pressione ambiente e temperatura ambiente.
  • L’affermazione è stata immediatamente contestata e criticata come una bufala o un errore di misura, ma poi altri ricercatori hanno scoperto che potrebbe esserci qualcosa di reale.

Nonostante queste nuove scoperte, in gran parte la superconduttività è un fenomeno ancora poco compreso, con molte ipotesi sperimentali per cercare nuovi materiali con tale caratteristica. Pertanto è necessario un quadro teorico migliore.

Un pezzo del puzzle è stato trovato a marzo 2025, con una migliore comprensione di quali siano le possibili temperature più elevate per la superconduttività (Tc).

Un altro è la creazione da parte dei ricercatori della National University of Singapore di un nuovo modello teorico che ha già portato alla scoperta di un materiale superconduttivo senza rame. Questo risultato è stato recentemente annunciato nella prestigiosa rivista scientifica Nature¹, con il titolo “Bulk superconductivity near 40 K in hole-doped SmNiO2 at ambient pressure”.

Nuovo Modello di Superconduttività

Spiegare la Superconduttività

I ricercatori hanno lavorato allo sviluppo di un nuovo modello teorico che spiega come funziona la superconduttività. È un argomento complesso, che può essere riassunto più semplicemente con alcuni concetti chiave:

Coppie di Cooper, o due elettroni legati insieme tramite un effetto quantistico, sono un elemento chiave per rendere un materiale superconduttivo.

È la condensazione delle coppie di Cooper a creare la superconduttività, almeno secondo i ricercatori che per primi hanno spiegato la superconduttività (la teoria di Bardeen–Cooper–Schrieffer, o teoria BCS), e che hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica del 1972 per questa idea.

Sono i fononi, ovvero le vibrazioni a livello quantistico della rete cristallina del materiale, a guidare l’accoppiamento degli elettroni nelle coppie di Cooper. Quando si formano sufficienti coppie di Cooper, ciò consente il movimento degli elettroni attraverso il materiale senza collisioni, eliminando la resistenza elettrica.

Fonte: Fiveable

Prevedere e Produrre Nuovi Superconduttori

Il nuovo modello che prevede la formazione delle coppie di Cooper aiuta i ricercatori a prevedere molti potenziali superconduttori, inclusi molti che non contengono atomi di rame.

Successivamente hanno sintetizzato con successo uno dei materiali previsti: l’ossido di samario-europio-calcio-nichel (Sm-Eu-Ca)NiO₂.

“Come avevamo previsto e progettato, questo ossido superconduttivo privo di rame dimostra una superconduttività ad alta temperatura sotto pressione atmosferica a livello del mare, senza la necessità di compressione aggiuntiva — proprio come gli ossidi di rame.

Questa scoperta suggerisce che la superconduttività ad alta temperatura non convenzionale non è esclusiva del rame, ma potrebbe essere una proprietà più diffusa tra gli elementi della tavola periodica.

Dr. Stephen Lin Er Chow – Ricercatore presso la National University of Singapore

Hanno anche confermato una resistenza elettrica zero (superconduttività) ben al di sopra dei 30 K in questo composto. Non è solo un nuovo materiale da sperimentare, ma una prova che il modello utilizzato ha valore predittivo, il che probabilmente significa che anche gli altri materiali superconduttori previsti potrebbero funzionare. Questa è la prima scoperta di un superconduttore ad alta temperatura di questo tipo dai anni ’90.

Fonte: National University of Singapore

Zhaoyang Luo, dottorando della National University of Singapore, ha dimostrato l’alta cristallinità e la natura a fase pura del materiale sintetizzato mediante microscopia elettronica. Questo rende il nuovo materiale molto stabile, facendone un buon candidato per potenziali future applicazioni industriali.

“Questa è la prima volta, dalla scoperta premiata con il Nobel, che un ossido superconduttivo ad alta temperatura privo di rame è stato trovato funzionante a pressione ambiente.

Inoltre, questo nuovo materiale è altamente stabile in condizioni ambientali, migliorando significativamente la sua accessibilità.

Prof. Ariando – Professore presso la National University of Singapore

Il metodo di produzione del nuovo materiale è anche piuttosto robusto, senza apparire difetti strutturali durante il processo, aumentando ulteriormente il potenziale per applicazioni pratiche.

Applicazioni e Sviluppi Futuri

Ora che hanno un quadro teorico più solido, i ricercatori possono provare a perfezionare alcuni parametri specifici dei materiali superconduttori. In particolare, menzionano caratteristiche atomiche e molecolari come lo spostamento dell’occupazione elettronica e la pressione idrostatica.

Ciò potrebbe aprire la strada a tipologie completamente nuove di superconduttori o forse anche a una nuova famiglia di superconduttori con temperature operative ancora più elevate.

Qualsiasi superconduttore a temperatura più alta che possa essere prodotto su larga scala potrebbe avere due impatti principali:

• Ridurre drasticamente il costo delle tecnologie attualmente che utilizzano superconduttori, democratizzandone l’uso, soprattutto per la levitazione magnetica e le MRI.
• Aprire nuovi campi di utilizzo, specialmente se la temperatura Tc raggiunge valori sufficientemente alti da corrispondere all’azoto liquido (-196 °C / -320 °F), un refrigerante molto più economico e facile da produrre rispetto a quelli attualmente usati per i materiali superconduttori.
  • Queste nuove applicazioni potrebbero includere trasmissione di energia, stoccaggio energetico, laser, navi, propulsione spaziale e accesso all’orbita (mass driver), ecc.

Questa osservazione ha profonde implicazioni sia per la comprensione teorica sia per la realizzazione sperimentale di un più ampio spettro di materiali superconduttori con applicazioni pratiche nell’elettronica moderna, Prof. Ariando – Professore presso la National University of Singapore

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 a ingranaggi per turbine eoliche.

L’azienda sta beneficiando di molteplici fattori di crescita, dalla tendenza all’elettrificazione e alla digitalizzazione (inclusi i data center AI), ma anche dal ritorno della produzione negli Stati Uniti e dalla necessità delle marine dell’Anglosfera di modernizzarsi in risposta ai crescenti rischi geopolitici.

Fonte: American Superconductor Corporation

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

Nel segmento delle turbine eoliche, AMSC è principalmente attiva con il Sistema di Controllo Elettrico (ECS). Storicamente, l’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 al fine di proteggerle dalle mine marine. Questo è venduto alle marine di USA, Canada e Regno Unito, con ordini per un valore di 75 milioni di dollari finora.

Nel complesso, ASMC sta ottenendo i migliori risultati sfruttando la tecnologia superconduttiva 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 una volatilità estrema in passato, e dovrebbero calcolare i rischi di conseguenza.

Ultime Notizie su American Superconductor Corporation

Studi Citati:

^{1. Chow, S.L.E., Luo, Z. & Ariando, (2025) A. Bulk superconductivity near 40 K in hole-doped SmNiO2a pressione ambiente. Nature. 20 marzo 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08893-4}