Processo di scattering di coppie di Cooper su impurità magnetiche (Nd) nella struttura del superidruro di lantanio LaH10. Credito:Dmitrii Semenok (Skoltech)
In una serie di esperimenti sul superidruro di lantanio con impurità, i ricercatori di Skoltech, Lebedev Physical Institute of RAS e i loro colleghi di Stati Uniti, Germania e Giappone, hanno stabilito il meccanismo alla base della superconduttività nei poliidridi a temperatura più alta osservata fino ad oggi. Segnalato in Materiali avanzati , la scoperta apre la strada a studi futuri che perseguono materiali che conducono elettricità con resistenza zero a temperatura ambiente o prossima a essa. Questi sarebbero utili per l'elettronica superconduttrice e i computer quantistici, i treni a levitazione magnetica, le macchine per la risonanza magnetica, gli acceleratori di particelle e forse anche i reattori a fissione nucleare e le linee elettriche senza perdite, se ti piacciono questo genere di cose.
Se non il Santo Graal della scienza dei materiali, i superconduttori a temperatura ambiente sono sicuramente tra i materiali più ricercati con applicazioni tecnologiche. Se scoperto, un tale materiale consentirebbe elettromagneti mostruosi che potrebbero essere utilizzati in strumenti di ricerca fondamentale, come sensori magnetici ultraprecisi e acceleratori di particelle che farebbero sembrare il Large Hadron Collider minuscolo, così come nella tecnologia medica (migliori scanner MRI), magnetici treni a levitazione, motori e generatori in miniatura e gadget a lunga durata della batteria. Tra le applicazioni più futuristiche ci sono le linee di trasmissione di energia a lunga distanza che fornirebbero elettricità quasi senza perdite.
Teoricamente, l'idrogeno puro dovrebbe essere il miglior superconduttore per alte temperature, a condizione che tu possa spremerlo abbastanza forte da trasformarlo in un metallo. Ma questa è una bella sfida, per non dire altro. Quindi, invece, gli scienziati stanno esplorando composti che contengono elementi aggiuntivi, oltre a molto idrogeno. In questo modo stanno sacrificando parte della temperatura per portare le pressioni necessarie per stabilizzare il materiale superconduttore verso il basso e nel regno di ciò che è tecnologicamente possibile.
"In questo momento, superidruro di lantanio LaH10 è il principale contendente in questa corsa ai superconduttori, con una temperatura critica di meno 23 gradi Celsius", ha commentato il ricercatore principale dello studio, il professor Artem R. Oganov di Skoltech. "Questo è molto impressionante, ma per andare ancora più in alto, abbiamo dovuto prima capire come funziona la superconduttività in questo materiale. Ora lo facciamo."
Esistono più meccanismi che possono abilitare la conduttività elettrica con resistenza zero. Quella meglio compresa è chiamata superconduttività mediata da fononi convenzionale. Sorge in virtù delle interazioni degli elettroni con le oscillazioni del reticolo cristallino. La teoria consolidata della superconduttività convenzionale può essere utilizzata per migliorare il superidruro di lantanio, magari introducendo un terzo elemento cruciale per creare un nuovo composto di idrogeno e altri due elementi ben scelti.
"Il problema era che, fino ad ora, non esisteva alcun modello di sistemi superconduttori ternari per scoprire quanto possiamo migliorare le proprietà superconduttive dei poliidridi. Quindi c'era una discreta quantità di incertezza che ostacolava e oscurava il progresso nella ricerca della stanza vicina -superconduttività della temperatura. Abbiamo spianato la strada eliminando questa incertezza", ha affermato Oganov.
Il suo team ha stabilito il comportamento della superconduttività nel superidruro di lantanio sulla base del teorema di Anderson ampiamente accettato. Afferma che i superconduttori convenzionali, e solo loro, mantengono le loro proprietà quando viene introdotta un'impurità non magnetica, ma subiscono una diminuzione della temperatura critica della superconduttività quando drogati con impurità magnetiche.
"Avendo confermato in un precedente articolo che l'aggiunta di ittrio, che non è magnetico, non influisce sulla temperatura critica della superconduttività in LaH10 , abbiamo invece drogato questo materiale con il neodimio magnetico. E abbastanza sicuro, più atomi di neodimio venivano aggiunti, più questa superconduttività sopprimeva, distruggendola alla fine a circa il 15-20% di contenuto atomico di Nd", ha affermato Dmitrii Semenok, uno studente di dottorato presso Skoltech e autore principale dello studio .
Secondo i ricercatori, ora abbiamo una migliore comprensione di come le impurità influenzeranno la superconduttività negli idruri e possiamo prevedere le proprietà di molti di questi sistemi di idruri ternari. Il team farà affidamento sulle conclusioni stabilite per prevedere, sintetizzare e testare nuovi composti ricchi di idrogeno a tre elementi, si spera che migliorino il superidruro di lantanio aumentandone la temperatura critica, abbassando la pressione di sintesi o entrambi.
La ricerca sui composti anomali dell'idruro ha fatto molto per approfondire la nostra comprensione e dissipare le idee sbagliate sulla superconduttività. Gran parte di questa ricerca ha utilizzato USPEX, un programma per computer sviluppato da Oganov per prevedere i composti in gran parte controintuitivi che esistono a pressioni molto elevate. + Esplora ulteriormente
