L'idrogeno (come molti di noi) si comporta in modo strano sotto pressione. La teoria prevede che, quando schiacciato dal peso di oltre un milione di volte quello della nostra atmosfera, questo elemento leggero, abbondante e normalmente gassoso diventa prima un metallo e, cosa ancora più strana, un superconduttore, un materiale che conduce l'elettricità senza resistenza.
Gli scienziati sono ansiosi di comprendere ed eventualmente sfruttare i composti superconduttori ricchi di idrogeno, chiamati idruri, per applicazioni pratiche, dai treni in levitazione ai rilevatori di particelle. Ma studiare il comportamento di questi e altri materiali sotto pressioni enormi e prolungate è tutt'altro che pratico, e misurare con precisione questi comportamenti è tra l'incubo e l'impossibile.
Come la calcolatrice ha fatto per l'aritmetica e ChatGPT ha fatto per scrivere saggi di cinque paragrafi, i ricercatori di Harvard pensano di avere uno strumento fondamentale per il problema spinoso di come misurare e immaginare il comportamento dei superconduttori di idruro ad alta pressione.
Pubblicare in Natura , riferiscono di aver integrato in modo creativo sensori quantistici in un dispositivo standard di induzione della pressione, consentendo letture dirette delle proprietà elettriche e magnetiche del materiale pressurizzato.
L'innovazione è nata da una collaborazione di lunga data tra il professore di fisica Norman Yao Ph.D. e il professore dell'Università di Boston ed ex ricercatore post-dottorato di Harvard Christopher Laumann, che insieme hanno lasciato il loro background teorico per passare alle considerazioni pratiche sulla misurazione dell'alta pressione diversi anni fa.
Il modo standard per studiare gli idruri sotto pressioni estreme è con uno strumento chiamato cella a incudine di diamante, che comprime una piccola quantità di materiale tra due interfacce di diamante taglio brillante.
Per rilevare quando un campione è stato schiacciato abbastanza da diventare superconduttore, i fisici in genere cercano una doppia firma:un calo della resistenza elettrica a zero, così come la repulsione di qualsiasi campo magnetico vicino, noto anche come effetto Meissner. (Ecco perché un superconduttore ceramico, una volta raffreddato con azoto liquido, si libra sopra un magnete).
Il problema sta nel catturare quei dettagli. Per applicare la pressione necessaria, il campione deve essere tenuto in posizione da una guarnizione che distribuisce uniformemente lo schiacciamento, quindi racchiuso in una camera. Ciò rende difficile "vedere" cosa sta succedendo all'interno, quindi i fisici hanno dovuto utilizzare soluzioni alternative che coinvolgono più campioni per misurare separatamente i diversi effetti.
"Il campo degli idruri superconduttori è stato un po' controverso, in parte perché le tecniche di misurazione ad alte pressioni sono davvero limitate", ha affermato Yao.
"Il problema è che non puoi semplicemente inserire un sensore o una sonda all'interno, perché tutto è chiuso e a pressioni molto elevate. Ciò rende estremamente difficile l'accesso a informazioni locali dall'interno della camera. Di conseguenza, nessuno ha realmente osservato la doppia firma della superconduttività in un singolo campione."
Per risolvere il problema, i ricercatori hanno progettato e testato un retrofit intelligente:hanno integrato un sottile strato di sensori, realizzati con difetti naturali nel reticolo cristallino atomico del diamante, direttamente sulla superficie dell'incudine del diamante. Hanno utilizzato questi efficaci sensori quantistici, chiamati centri vacanti di azoto, per acquisire immagini delle regioni all'interno della camera mentre il campione è pressurizzato e attraversa il territorio superconduttore.
Per dimostrare il loro concetto, hanno lavorato con l'idruro di cerio, un materiale noto per diventare un superconduttore a circa un milione di atmosfere di pressione, o quello che i fisici chiamano regime dei megabar.
Il nuovo strumento potrebbe aiutare il settore non solo consentendo la scoperta di nuovi idruri superconduttori, ma anche consentendo un accesso più facile a quelle caratteristiche ambite nei materiali esistenti, per continuare lo studio.
"Puoi immaginare che, poiché ora stai creando qualcosa in una cella a incudine di diamante [con posto di azoto vuoto], e puoi immediatamente vedere che 'questa zona ora è superconduttiva, quest'area no', potresti ottimizzare la tua sintesi e ottenere un modo per creare campioni molto migliori," ha detto Laumann.
Ulteriori informazioni: Norman Yao, Immaginare l'effetto Meissner nei superconduttori di idruro utilizzando sensori quantistici, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07026-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07026-7
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Università di Harvard
