Il calore disperso è tutto intorno a te. Su piccola scala, se il tuo telefono o laptop è caldo, questo perché parte dell'energia che alimenta il dispositivo viene trasformata in calore indesiderato.

Su scala più ampia, reti elettriche, come le linee ad alta potenza, perdono oltre il 5% della loro energia nel processo di trasmissione. In un settore dell'energia elettrica che ha generato più di 400 miliardi di dollari nel 2018, è un'enorme quantità di denaro sprecato.

Globalmente, i sistemi informatici di Google, Microsoft, Facebook e altri richiedono enormi quantità di energia per alimentare enormi server cloud e data center. Ancora più energia, per alimentare sistemi di raffreddamento ad acqua e aria, è necessario per compensare il calore generato da questi computer.

Da dove viene questo calore sprecato? Elettroni. Queste particelle elementari di un atomo si muovono e interagiscono con altri elettroni e atomi. Perché hanno una carica elettrica, mentre si muovono attraverso un materiale, come i metalli, che possono facilmente condurre elettricità:disperdono altri atomi e generano calore.

I superconduttori sono materiali che risolvono questo problema consentendo all'energia di fluire in modo efficiente attraverso di essi senza generare calore indesiderato. Hanno un grande potenziale e molte applicazioni convenienti. Azionano treni a levitazione magnetica, generano campi magnetici per macchine per la risonanza magnetica e recentemente sono stati utilizzati per costruire computer quantistici, anche se non ne esiste ancora uno pienamente operativo.

Ma i superconduttori hanno un problema essenziale quando si tratta di altre applicazioni pratiche:operano a temperature ultra basse. Non ci sono superconduttori a temperatura ambiente. Quella parte "a temperatura ambiente" è ciò su cui gli scienziati stanno lavorando da più di un secolo. Miliardi di dollari hanno finanziato la ricerca per risolvere questo problema. Scienziati di tutto il mondo, incluso me, stanno cercando di capire la fisica dei superconduttori e come possono essere migliorati.

Capire il meccanismo

Un superconduttore è un materiale, come un metallo puro come l'alluminio o il piombo, che una volta raffreddato a temperature ultra-basse consente all'elettricità di attraversarlo con una resistenza assolutamente zero. Come un materiale diventa un superconduttore a livello microscopico non è una domanda semplice. La comunità scientifica ha impiegato 45 anni per comprendere e formulare una teoria di successo della superconduttività nel 1956.

Mentre i fisici ricercavano una comprensione dei meccanismi della superconduttività, i chimici mescolavano elementi diversi, come il raro metallo niobio e stagno, e provato ricette guidate da altri esperimenti per scoprire superconduttori nuovi e più forti. C'era progresso, ma soprattutto incrementale.

In poche parole, la superconduttività si verifica quando due elettroni si legano insieme a basse temperature. Costituiscono l'elemento costitutivo dei superconduttori, la coppia Cooper. La fisica e la chimica elementari ci dicono che gli elettroni si respingono. Questo vale anche per un potenziale superconduttore come il piombo quando è al di sopra di una certa temperatura.

Quando la temperatura scende fino a un certo punto, anche se, gli elettroni diventano più suscettibili di accoppiarsi. Invece di un elettrone che si oppone all'altro, emerge una sorta di "colla" per tenerli insieme.

Mantenere la materia fresca

Scoperto nel 1911, il primo superconduttore fu il mercurio (Hg), l'elemento base dei termometri antiquati. Affinché il mercurio diventi un superconduttore, doveva essere raffreddato a temperature ultra-basse. Kamerlingh Onnes è stato il primo scienziato a capire esattamente come farlo, comprimendo e liquefacendo il gas elio. Durante il processo, una volta che l'elio diventa liquido, la temperatura scende a -452 gradi Fahrenheit.

Quando Onnes stava sperimentando il mercurio, scoprì che quando veniva posto all'interno di un contenitore di elio liquido e raffreddato a temperature molto basse, la sua resistenza elettrica, l'opposizione della corrente elettrica nel materiale, improvvisamente sceso a zero ohm, un'unità di misura che descrive la resistenza. Non vicino allo zero, ma zero esattamente. Nessuna resistenza, nessuno spreco di calore.

Ciò significava che una corrente elettrica, una volta generato, scorrerebbe continuamente senza niente che lo fermi, almeno in laboratorio. Furono presto scoperti molti materiali superconduttori, ma le applicazioni pratiche erano un'altra cosa.

Questi superconduttori condividevano un problema:dovevano essere raffreddati. La quantità di energia necessaria per raffreddare un materiale fino al suo stato superconduttore era troppo costosa per le applicazioni quotidiane. All'inizio degli anni '80, la ricerca sui superconduttori era quasi giunta alla conclusione.

Una scoperta sorprendente

In una drammatica svolta degli eventi, un nuovo tipo di materiale superconduttore è stato scoperto nel 1987 presso l'IBM di Zurigo, Svizzera. Entro mesi, i superconduttori operanti a temperature meno estreme venivano sintetizzati a livello globale. Il materiale era una specie di ceramica.

Questi nuovi superconduttori ceramici erano fatti di rame e ossigeno mescolati con altri elementi come il lantanio, bario e bismuto. Contraddicevano tutto ciò che i fisici pensavano di sapere sulla fabbricazione di superconduttori. I ricercatori erano alla ricerca di ottimi direttori, eppure queste ceramiche erano quasi isolanti, il che significa che può passare pochissima corrente elettrica. Il magnetismo ha distrutto i superconduttori convenzionali, eppure questi erano essi stessi dei magneti.

Gli scienziati stavano cercando materiali in cui gli elettroni fossero liberi di muoversi, eppure in questi materiali, gli elettroni erano bloccati e confinati. Gli scienziati di IBM, Alex Müller e Georg Bednorz, aveva effettivamente scoperto un nuovo tipo di superconduttore. Questi erano i superconduttori ad alta temperatura. E hanno giocato secondo le loro regole.

Soluzioni inafferrabili

Gli scienziati ora hanno una nuova sfida. Tre decenni dopo la scoperta dei superconduttori ad alta temperatura, facciamo ancora fatica a capire come funzionano a livello microscopico. Ogni giorno vengono condotti esperimenti creativi nelle università e nei laboratori di ricerca di tutto il mondo.

Nel mio laboratorio, abbiamo costruito un microscopio noto come microscopio a scansione a effetto tunnel che aiuta il nostro team di ricerca a "vedere" gli elettroni sulla superficie del materiale. Questo ci permette di capire come gli elettroni si legano e formano la superconduttività su scala atomica.

Abbiamo fatto molta strada nella nostra ricerca e ora sappiamo che anche gli elettroni si accoppiano in questi superconduttori ad alta temperatura. C'è un grande valore e utilità nel rispondere a come funzionano i superconduttori ad alta temperatura perché questo potrebbe essere il percorso verso la superconduttività a temperatura ambiente. Se riusciamo a realizzare un superconduttore a temperatura ambiente, allora possiamo indirizzare i miliardi di dollari che costa in calore disperso trasmettere energia dalle centrali elettriche alle città.

Più notevolmente, l'energia solare raccolta nei vasti deserti vuoti di tutto il mondo potrebbe essere immagazzinata e trasmessa senza alcuna perdita di energia, che potrebbe alimentare le città e ridurre drasticamente le emissioni di gas serra. Il potenziale è difficile da immaginare. Trovare la colla per i superconduttori a temperatura ambiente è la prossima domanda da un milione di dollari.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.