La scorsa estate, fu proclamata una nuova era per la superconduttività ad alta temperatura:l'età del nichel. È stato scoperto che ci sono superconduttori promettenti in una classe speciale di materiali, i cosiddetti nichelati, che può condurre corrente elettrica senza alcuna resistenza anche ad alte temperature.

Però, divenne presto evidente che questi risultati inizialmente spettacolari di Stanford non potevano essere riprodotti da altri gruppi di ricerca. TU Wien (Vienna) ha ora trovato la ragione di ciò:in alcuni nichelati vengono incorporati atomi di idrogeno aggiuntivi nella struttura del materiale. Questo cambia completamente il comportamento elettrico del materiale. Nella produzione dei nuovi superconduttori, questo effetto deve ora essere preso in considerazione.

La ricerca di superconduttori ad alta temperatura

Alcuni materiali sono solo superconduttori vicino allo zero assoluto della temperatura, tali superconduttori non sono adatti per applicazioni tecniche. Perciò, per decenni, le persone sono alla ricerca di materiali che rimangano superconduttori anche a temperature più elevate. Negli anni '80, Sono stati scoperti "superconduttori ad alta temperatura". Ciò che in questo contesto viene definito "temperature elevate", però, è ancora molto freddo:anche i superconduttori ad alta temperatura devono essere raffreddati fortemente per ottenere le loro proprietà superconduttive. Perciò, continua la ricerca di nuovi superconduttori a temperature ancora più elevate.

"Per molto tempo, particolare attenzione è stata riservata ai cosiddetti cuprati, cioè composti contenenti rame. Per questo si parla anche dell'età del rame", spiega il prof. Karsten Held dell'Istituto di fisica dello stato solido della TU Wien. "Con questi cuprati, sono stati compiuti alcuni importanti progressi, anche se ci sono ancora molte questioni aperte nella teoria della superconduttività ad alta temperatura oggi".

Ma da qualche tempo, sono state prese in considerazione anche altre possibilità. Esisteva già una cosiddetta "età del ferro" basata su superconduttori contenenti ferro. Nell'estate 2019, il gruppo di ricerca del gruppo di ricerca di Harold Y. Hwang di Stanford è poi riuscito a dimostrare la superconduttività ad alta temperatura nei nichelati. "In base ai nostri calcoli, abbiamo già proposto i nickelati come superconduttori 10 anni fa, ma erano alquanto diversi da quelli che ora sono stati scoperti. Sono legati ai cuprati, ma contengono nichel invece di atomi di rame, " dice Karsten Held.

Il problema con l'idrogeno

Dopo un po' di entusiasmo iniziale, però, è diventato evidente negli ultimi mesi che i superconduttori al nichel sono più difficili da produrre di quanto inizialmente pensato. Altri gruppi di ricerca hanno riferito che i loro nichelati non hanno proprietà superconduttive. Questa apparente contraddizione è stata ora chiarita alla TU Wien.

"Abbiamo analizzato i nichelati con l'aiuto di supercomputer e abbiamo scoperto che sono estremamente ricettivi all'idrogeno nel materiale, " riporta Liang Si (TU Vienna). Nella sintesi di alcuni nichelati, gli atomi di idrogeno possono essere incorporati, che cambia completamente le proprietà elettroniche del materiale. "Però, questo non succede con tutti i nichelati, "dice Liang Si, "I nostri calcoli mostrano che per la maggior parte di loro, è energeticamente più favorevole incorporare idrogeno, ma non per i nichelati di Stanford. Anche piccoli cambiamenti nelle condizioni di sintesi possono fare la differenza". Venerdì scorso il gruppo attorno ad Ariando Ariando del NUS Singapore ha potuto riferire di essere riuscito anche a produrre nichelati superconduttori. Hanno lasciato scappare immediatamente l'idrogeno che si libera nel processo produttivo.

Calcolo della temperatura critica con i supercomputer

Alla TU Wien vengono sviluppati e utilizzati nuovi metodi di calcolo al computer per comprendere e prevedere le proprietà dei nichelati. "Poiché un gran numero di particelle quanto-fisiche giocano sempre un ruolo qui allo stesso tempo, i calcoli sono estremamente complessi, "dice Liang Si, "Ma combinando diversi metodi, ora siamo addirittura in grado di stimare la temperatura critica fino alla quale i vari materiali sono superconduttori. Tali calcoli affidabili non sono stati possibili prima."In particolare, il team della TU Wien è stato in grado di calcolare l'intervallo consentito di concentrazione di stronzio per il quale i nichelati sono superconduttori, e questa previsione è stata ora confermata dall'esperimento.

"La superconduttività ad alta temperatura è un campo di ricerca estremamente complesso e difficile, " dice Karsten Held. "I nuovi superconduttori nichelati, insieme alla nostra comprensione teorica e al potere predittivo dei calcoli al computer, aprono una prospettiva completamente nuova sul grande sogno della fisica dello stato solido:un superconduttore a temperatura ambiente che quindi funziona senza alcun raffreddamento".