Scienza dei materiali
NUS Scopre Materiale senza Rame con Superconduttività ad Alta Temperatura
Il Potenziale della Superconduttività
L’elettricità è una delle tecnologie più importanti mai inventate dall’uomo. Nella sua forma usuale, essa comporta sempre un certo livello di resistenza elettrica, generando calore quando una corrente elettrica circola.
Ciò può avere gravi limitazioni per alcune applicazioni che richiedono correnti o campi magnetici troppo potenti, poiché porterebbe a far fondere qualsiasi sistema elettrico.
Un’alternativa è la superconduttività, un fenomeno in cui la resistenza elettrica scende a zero. Tuttavia, per molto tempo, ciò poteva essere osservato solo a temperature ultra-basse, vicine allo zero assoluto (0 K), o intorno a -273°C/-387°K.
Ciò cambiò con una scoperta che ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 1987: superconduttori ad alta temperatura fatti di ossidi di rame.
Senza superconduttività, molte tecnologie moderne non sarebbero possibili, tra cui acceleratori di particelle (ad esempio, il CERN), MRI e treni a levitazione magnetica.
La superconduttività sarà anche un componente cruciale dei più promettenti megaprogetti e innovazioni tecnologiche, come ITER e fusione nucleare, propulsori di massa, computer quantistici, ecc.
Le linee di alimentazione elettrica senza perdite potrebbero essere anche cruciali nello sviluppo di collegamenti di rete ultra-lunghi per aiutare a smussare la produzione di energie rinnovabili sulle condizioni meteorologiche e i fusi orari, risolvendo alcune delle limitazioni del potere solare e eolico.
Source: XOT Metals
Superconduttività ad Alta Temperatura
Per ora, il requisito di bassa temperatura rende la superconduttività economicamente fattibile solo per applicazioni di fascia alta: levitazione magnetica, MRI, ecc.
E mentre scientificamente interessante, la superconduttività sotto alta pressione è relativamente inutile in termini di applicazioni pratiche.
Molto progresso è stato fatto nello spazio della superconduttività di recente che potrebbe cambiare la situazione:
- Ormai sembra che il materiale prodotto ad alta pressione possa conservare alcune delle sue proprietà superconduttive a pressione più bassa attraverso un metodo sperimentale chiamato protocollo di spegnimento della pressione (PQP).
- Strato bilayer di WSe₂ (tungsteno selenio) sembra essere un buon candidato materiale per superconduttori ad alta temperatura.
- Un’altra nuova classe di potenziali superconduttori, nickelati a strato doppio, potrebbe essere stata aggiunta all’elenco quest’anno.
- Poi è apparso il caso enigmatico di LK-99 (una forma di apatite di piombo sostituito con rame – CSLA), potenzialmente un nuovo tipo di superconduttore a pressione ambiente e temperatura ambiente.
- L’affermazione è stata immediatamente contestata e criticata come un imbroglio o un errore di misurazione, ma poi altri ricercatori hanno scoperto che potrebbe esserci qualcosa di vero.
Nonostante queste nuove scoperte, in gran parte la superconduttività è un fenomeno non ben compreso, con molti tentativi nel buio per cercare di trovare nuovi materiali con quella caratteristica. Quindi è necessario un miglior framework teorico.
Un pezzo del puzzle è stato trovato nel marzo 2025, con una migliore comprensione di quali sono le possibili temperature più elevate per la superconduttività (Tc).
Un altro è la creazione da parte di ricercatori dell’Università Nazionale di Singapore di un nuovo modello teorico che ha già portato alla scoperta di un materiale superconduttore senza rame. Questo risultato è stato recentemente annunciato nella prestigiosa pubblicazione scientifica Nature1, con il titolo “Superconduttività bulk vicino a 40 K in SmNiO2 dopato con buchi a pressione ambiente”.
Nuovo Modello di Superconduttività
Spiegazione della Superconduttività
I ricercatori hanno lavorato sullo sviluppo di un nuovo modello teorico che spiega come funziona la superconduttività. Questo è un argomento complesso, che può essere riassunto più semplicemente con alcuni concetti chiave:
Le coppie di Cooper, o due elettroni legati insieme attraverso un effetto quantistico, sono un elemento chiave per rendere un materiale superconduttore.
È la condensazione delle coppie di Cooper che crea la superconduttività, almeno secondo i ricercatori che hanno spiegato la superconduttività per la prima volta (la teoria BCS), e hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica del 1972 per questa idea.
Sono i fononi, o la vibrazione a livello quantistico della rete del materiale, che guidano l’accoppiamento degli elettroni nelle coppie di Cooper. Quando si formano abbastanza coppie di Cooper, ciò consente il movimento degli elettroni nel materiale senza collisione, eliminando la resistenza elettrica.
Source: Fiveable
Predizione e Produzione di Nuovi Superconduttori
Il nuovo modello che prevede la formazione di coppie di Cooper aiuta i ricercatori a prevedere molti potenziali superconduttori, compresi molti che non includono atomi di rame.
