Comprimere solidi molecolari semplici con idrogeno a pressioni estremamente elevate, Gli ingegneri e i fisici dell'Università di Rochester hanno, per la prima volta, materiale creato che è superconduttore a temperatura ambiente.

In primo piano come la storia di copertina nel diario Natura , il lavoro è stato condotto dal laboratorio di Ranga Dias, un assistente professore di fisica e ingegneria meccanica.

Dias afferma che lo sviluppo di materiali superconduttori, senza resistenza elettrica ed espulsione del campo magnetico a temperatura ambiente, è il "Santo Graal" della fisica della materia condensata. Cercato da più di un secolo, tali materiali "possono sicuramente cambiare il mondo come lo conosciamo, "dice Dias.

Nello stabilire il nuovo record, Dias e il suo gruppo di ricerca hanno combinato idrogeno con carbonio e zolfo per sintetizzare fotochimicamente un semplice idruro di zolfo carbonioso di origine organica in una cella a incudine di diamante, un dispositivo di ricerca utilizzato per esaminare minuscole quantità di materiali sottoposti a una pressione straordinariamente elevata.

L'idruro di zolfo carbonioso ha mostrato una superconduttività a circa 58 gradi Fahrenheit e una pressione di circa 39 milioni di psi. Questa è la prima volta che si osserva materiale superconduttore a temperatura ambiente.

"A causa dei limiti della bassa temperatura, materiali con proprietà così straordinarie non hanno completamente trasformato il mondo nel modo in cui molti avrebbero potuto immaginare. Però, la nostra scoperta abbatterà queste barriere e aprirà le porte a molte potenziali applicazioni, "dice Dias, che è anche affiliato ai programmi di Scienza dei materiali e Fisica ad alta densità di energia dell'Università.

Le applicazioni includono:

• Reti elettriche che trasmettono elettricità senza la perdita fino a 200 milioni di megawattora (MWh) dell'energia che ora si verifica a causa della resistenza nei fili.
• Un nuovo modo di spingere i treni levitati e altre forme di trasporto.
• Tecniche di imaging e scansione mediche come risonanza magnetica e magnetocardiografia
• Più veloce, elettronica più efficiente per la logica digitale e la tecnologia dei dispositivi di memoria.

"Viviamo in una società di semiconduttori, e con questo tipo di tecnologia, puoi portare la società in una società superconduttiva in cui non avrai mai più bisogno di cose come le batterie, " dice Ashkan Salamat dell'Università del Nevada Las Vegas, coautore della scoperta.

La quantità di materiale superconduttore creato dalle celle dell'incudine di diamante viene misurata in picolitri, circa la dimensione di una singola particella a getto d'inchiostro.

La prossima sfida, Dias dice, sta trovando modi per creare materiali superconduttori a temperatura ambiente a pressioni più basse, quindi saranno economici da produrre in maggior volume. In confronto ai milioni di libbre di pressione creati nelle celle di incudine di diamante, la pressione atmosferica della Terra al livello del mare è di circa 15 PSI.

Perché la temperatura della stanza è importante

Scoperto per la prima volta nel 1911, la superconduttività conferisce ai materiali due proprietà chiave. La resistenza elettrica scompare. E ogni parvenza di campo magnetico viene espulsa, a causa di un fenomeno chiamato effetto Meissner. Le linee del campo magnetico devono passare attorno al materiale superconduttore, rendendo possibile levitare tali materiali, qualcosa che potrebbe essere utilizzato per i treni ad alta velocità senza attrito, noti come treni maglev.

I potenti elettromagneti superconduttori sono già componenti critici dei treni maglav, macchine per la risonanza magnetica (MRI) e la risonanza magnetica nucleare (NMR), acceleratori di particelle e altre tecnologie avanzate, compresi i primi supercomputer quantistici.

Ma i materiali superconduttori utilizzati nei dispositivi di solito funzionano solo a temperature estremamente basse, inferiori a qualsiasi temperatura naturale sulla Terra. Questa restrizione li rende costosi da mantenere e troppo costosi da estendere ad altre potenziali applicazioni. "Il costo per mantenere questi materiali a temperature criogeniche è così alto che non puoi davvero trarne il massimo beneficio, "dice Dias.

In precedenza, la temperatura più alta per un materiale superconduttore è stata raggiunta lo scorso anno nel laboratorio di Mikhail Eremets presso il Max Planck Institute for Chemistry di Magonza, Germania, e il gruppo Russell Hemley presso l'Università dell'Illinois a Chicago. Quel team ha riportato la superconduttività a -10-8 gradi Fahrenheit usando il superidruro di lantanio.

Negli ultimi anni i ricercatori hanno anche esplorato gli ossidi di rame e le sostanze chimiche a base di ferro come potenziali candidati per i superconduttori ad alta temperatura. Però, anche l'idrogeno, l'elemento più abbondante nell'universo, offre un promettente elemento costitutivo.

"Per avere un superconduttore ad alta temperatura, vuoi legami più forti ed elementi leggeri. Questi sono i due criteri fondamentali, " dice Dias. "L'idrogeno è il materiale più leggero, e il legame idrogeno è uno dei più forti.

"Si teorizza che l'idrogeno metallico solido abbia un'elevata temperatura di Debye e un forte accoppiamento elettrone-fonone necessario per la superconduttività a temperatura ambiente, "dice Dias.

Però, sono necessarie pressioni straordinariamente elevate solo per portare l'idrogeno puro in uno stato metallico, che è stato ottenuto per la prima volta in un laboratorio nel 2017 dal professore dell'Università di Harvard Isaac Silvera e Dias, poi un postdoc nel laboratorio di Silvera.

Un "cambiamento di paradigma"

E così, Il laboratorio di Dias a Rochester ha perseguito un "cambiamento di paradigma" nel suo approccio, utilizzando in alternativa, materiali ricchi di idrogeno che imitano la sfuggente fase superconduttiva dell'idrogeno puro, e può essere metallizzato a pressioni molto più basse.

Per prima cosa il laboratorio ha combinato ittrio e idrogeno. Il superidruro di ittrio risultante ha mostrato superconduttività a quella che allora era una temperatura record di circa 12 gradi Fahrenheit e una pressione di circa 26 milioni di libbre per pollice quadrato.

Successivamente il laboratorio ha esplorato materiali derivati ​​organici covalenti ricchi di idrogeno.

Questo lavoro ha portato all'idruro di zolfo carbonioso. "Questa presenza di carbonio è di fondamentale importanza qui, " riferiscono i ricercatori. Un'ulteriore "regolazione compositiva" di questa combinazione di elementi potrebbe essere la chiave per raggiungere la superconduttività a temperature ancora più elevate, aggiungono.