LK-99: l’annuncio del 2023 sulla superconduttività e le implicazioni per l’informatica

La tecnologia di solito progredisce gradualmente, ma talvolta viene annunciato un materiale che, se confermato, potrebbe segnare una svolta. Nel luglio 2023 un gruppo di ricercatori sudcoreani presentò la propria affermazione su LK-99, descritto come un possibile superconduttore a temperatura e pressione ambiente. Gli esperimenti indipendenti successivi non hanno confermato quella proprietà. Qui esaminiamo l’annuncio storico e il motivo per cui un autentico materiale con queste caratteristiche sarebbe importante.

Nel 2023 i ricercatori sostenevano di aver sintetizzato, a partire da sostanze relativamente comuni, un materiale superconduttore in entrambe queste condizioni:

• pressione ambiente
• temperatura ambiente

LK-99 era un materiale a base di apatite di piombo modificata con rame. Nel preprint originale il gruppo avanzava la seguente affermazione, non confermata successivamente da esperimenti indipendenti:

Secondo gli autori, un metodo chimico aveva permesso di sintetizzare il primo superconduttore a temperatura e pressione ambiente, al quale avevano dato il nome LK-99.

Di seguito spieghiamo i principi della superconduttività e le sue possibili applicazioni. Queste riguardano veri superconduttori, non un comprovato successo di LK-99.

Cosa sono i superconduttori?

Un superconduttore è un materiale la cui resistenza elettrica si annulla nello stato superconduttivo, entro determinati limiti di temperatura, campo magnetico e corrente. In queste condizioni la corrente continua può attraversarlo senza perdite resistive. Questo non rende automaticamente privo di perdite l’intero sistema: raffreddamento, collegamenti e correnti alternate possono ancora richiedere energia o causare dissipazione. Un’altra proprietà fondamentale è l’espulsione del campo magnetico dall’interno del materiale, nota come effetto Meissner.

La superconduttività è un fenomeno quantistico che compare sotto una temperatura critica. Molti materiali richiedono temperature molto basse. I superconduttori ad alta temperatura operano a temperature maggiori rispetto ai materiali convenzionali, ma ciò non significa temperatura ambiente. Lo zero assoluto è −273,15 °C, pari a −459,67 °F.

Le bobine superconduttrici possono produrre campi magnetici intensi, utili per esempio nella risonanza magnetica e in alcuni treni a levitazione magnetica. Non tutti i sistemi maglev, tuttavia, impiegano superconduttori.

Il canale YouTube Techquickie spiega bene questo in un episodio passato intitolato ‘Fast as Possible’.

I superconduttori si dividono in due categorie principali in base alla loro risposta al campo magnetico:

1. Superconduttori di tipo I: Espellono il campo magnetico fino a un valore critico, oltre il quale perdono la superconduttività. Esempi sono alluminio, mercurio e piombo.
2. Superconduttori di tipo II: Consentono al flusso magnetico di penetrare sotto forma di vortici nell’intervallo tra due campi critici, mantenendo proprietà superconduttive. Molti sono adatti a campi elevati. Esempi sono niobio-stagno (Nb3Sn) e il materiale ceramico ossido di ittrio-bario-rame (YBCO).

La distinzione tra tipo I e tipo II non coincide con quella tra bassa e alta temperatura critica. Nb3Sn, per esempio, è un superconduttore di tipo II a bassa temperatura, mentre YBCO è di tipo II ad alta temperatura. Anche questi ultimi necessitano di raffreddamento, ma sono già impiegati in determinate applicazioni pratiche.

Perché un superconduttore a temperatura ambiente e pressione ambiente è così ricercato?

Un materiale realmente superconduttore a temperatura e pressione ambiente potrebbe avere importanti conseguenze, purché offrisse anche capacità di trasporto della corrente, resistenza ai campi magnetici, durata e producibilità adeguate. Tra le possibili applicazioni figurano le seguenti.

1. Trasmissione di energia: Conduttori superconduttivi potrebbero ridurre le perdite resistive e il fabbisogno di raffreddamento. Non renderebbero però l’intera rete elettrica completamente priva di perdite.
2. Treni a levitazione magnetica (Maglev): Un superconduttore a temperatura ambiente potrebbe semplificare i sistemi maglev che utilizzano magneti superconduttori. La levitazione riduce il contatto meccanico, ma non elimina la resistenza dell’aria o ogni altro consumo energetico.
3. Tecnologia medica: Nei dispositivi di risonanza magnetica con magneti superconduttori, un minore fabbisogno di raffreddamento potrebbe semplificare funzionamento e manutenzione.
4. Computazione quantistica: I superconduttori sono fondamentali nei computer quantistici a qubit superconduttivi, come quelli di IBM e Google. Un materiale a temperatura ambiente potrebbe aprire nuove possibilità progettuali, ma non eliminerebbe automaticamente il raffreddamento dei processori: temperature estremamente basse servono anche a ridurre il rumore termico e a preservare gli stati quantistici.
5. Stoccaggio di energia: I sistemi SMES accumulano energia nel campo magnetico di una bobina superconduttrice. Ridurre il raffreddamento potrebbe migliorarne la praticità, anche se il sistema complessivo non sarebbe completamente privo di perdite.
6. Ricerca scientifica: Molti strumenti ed esperimenti scientifici, per esempio nella fisica delle particelle, potrebbero diventare più efficienti o più semplici da gestire.

Numerose apparecchiature potrebbero beneficiare di un materiale adatto e utilizzabile nella pratica. La superconduttività, tuttavia, non elimina da sola ogni forma di attrito meccanico e non migliora automaticamente qualsiasi dispositivo elettrico.

Applicazioni possibili e risultati degli studi su LK-99

Gli esperimenti indipendenti hanno messo alla prova l’annuncio del 2023. Uno studio di sintesi e caratterizzazione pubblicato nell’agosto di quell’anno non ha osservato segnali di superconduttività nei campioni prodotti.

Altri ricercatori hanno rilevato comportamento isolante anche in campioni che si sollevavano parzialmente vicino a un magnete. La risposta magnetica non dimostrava quindi superconduttività. Inoltre, una transizione di fase del solfuro di rame presente come impurità poteva spiegare alcuni cambiamenti di resistività e capacità termica riportati.

Il gruppo originario di LK-99 aveva invece prospettato numerose applicazioni. Quella che segue è una sintesi della sua posizione nel 2023, non una conclusione verificata indipendentemente:

Gli autori ritenevano che il materiale potesse aiutare a comprendere la superconduttività a temperatura ambiente e trovare impiego in magneti, motori, cavi, treni a levitazione, trasmissione elettrica, qubit e antenne terahertz. Consideravano la presunta scoperta un possibile evento storico. Gli esperimenti indipendenti non hanno però confermato che LK-99 fosse un superconduttore a temperatura ambiente.

Un autentico superconduttore a temperatura e pressione ambiente potrebbe interessare molti settori. L’informatica sarebbe una possibile applicazione, ma i vantaggi non potrebbero essere dedotti dalla sola superconduttività.

Mining di Bitcoin, smartphone e centri dati potrebbero trarre beneficio da componenti più piccoli, efficienti o veloci. Soluzioni superconduttive potrebbero ridurre determinate perdite e la produzione di calore. Gli effetti su latenza, velocità di calcolo e dimensioni dipenderebbero però dall’intera architettura; l’annuncio di LK-99 non dimostrava questi risultati.

La verifica indipendente di LK-99

Se la proprietà annunciata fosse stata confermata, le conseguenze avrebbero potuto essere rilevanti. Al momento della pubblicazione mancava però una conferma indipendente, e il testo su arXiv era un preprint.

Una rivendicazione così straordinaria richiedeva prove solide e risultati riproducibili in esperimenti controllati. La revisione tra pari e la replica indipendente sono processi distinti: i revisori esaminano lo studio, ma di solito non ripetono tutti gli esperimenti. La revisione contribuisce ai seguenti aspetti.

1. Controllo di qualità: La funzione più immediata della revisione tra pari è garantire la qualità degli articoli pubblicati nelle riviste scientifiche. I revisori valutano criticamente la metodologia, le statistiche e la presentazione dei risultati per assicurarsi che le conclusioni siano supportate dai dati.
2. Valutazione di metodi e conclusioni: I revisori esaminano se i metodi siano adeguati, se siano stati applicati correttamente e se dati e interpretazioni sostengano le conclusioni. Ciò non equivale a una replica sperimentale indipendente né garantisce che il risultato sia corretto.
3. Pratiche non etiche: La revisione può far emergere plagio, incoerenze o indizi di possibili abusi. Non garantisce però l’individuazione di ogni falsificazione o frode.
4. Standardizzazione: Applicando le convenzioni e le aspettative scientifiche standard, la revisione tra pari promuove coerenza e coesione all’interno di un campo scientifico.
5. Credibilità: La revisione tra pari aggiunge credibilità a un articolo di ricerca. Altri ricercatori, così come il pubblico generale, spesso considerano il lavoro revisionato tra pari più affidabile perché ha subito questo livello di scrutinio.

Ciascuno di questi punti è importante perché, nel loro insieme, facilitano il progresso verificabile della scienza.  I lavori revisionati tra pari forniscono agli scienziati di tutto il mondo una base su cui basare il loro prossimo esperimento o invenzione.

La revisione tra pari è importante per la qualità della letteratura scientifica, ma può non rilevare errori o abusi ed essere influenzata da pregiudizi. Dati aperti, repliche indipendenti e studi successivi la completano.

Che cosa hanno mostrato gli esperimenti successivi?

La proprietà superconduttiva di LK-99 annunciata nel 2023 non è stata confermata dagli esperimenti indipendenti. Gli studi hanno osservato materiali isolanti e risposte magnetiche non sufficienti a dimostrare superconduttività, mentre le impurità potevano spiegare alcuni segnali. LK-99 non va quindi presentato come un superconduttore a temperatura ambiente accertato. Proseguono invece la ricerca di materiali autenticamente dotati di questa proprietà e lo studio delle loro potenziali applicazioni.