Natura della superconduttività nei composti ricchi di idrogeno
La spettroscopia di tunneling elettronico ad alta pressione rivela un gap superconduttivo in H₃S e D₃S.
Gli scienziati hanno raggiunto un importante traguardo nella ricerca della superconduttività ad alta temperatura nei materiali ricchi di idrogeno. Utilizzando una spettroscopia a tunnel di elettroni ad alta pressione, il team di ricerca internazionale guidato dall'Istituto Max Planck per la Chimica ha misurato il gap superconduttivo di H₃S, il materiale che nel 2015 ha stabilito il record di superconduttività ad alta pressione e che funge da composto madre per i successivi idruri superconduttori ad alta temperatura. I risultati, pubblicati questa settimana su Nature, forniscono la prima prova microscopica diretta della superconduttività nei materiali ricchi di idrogeno e un passo importante verso la sua comprensione scientifica.
I superconduttori sono materiali in grado di trasportare corrente elettrica senza resistenza, il che li rende preziosi per tecnologie come la trasmissione e l'immagazzinamento di energia, la levitazione magnetica e l'informatica quantistica. Tuttavia, questo fenomeno è stato solitamente riscontrato ben al di sotto della temperatura ambiente, limitando le applicazioni pratiche più diffuse. La scoperta della superconduttività nei composti ricchi di idrogeno, come il solfuro di idrogeno (H₃S) che diventa superconduttore a 203 Kelvin (-70°Celsius) e il decaidro di lantanio (LaH₁₀) che raggiunge la superconduttività a 250 Kelvin (-23°Celsius), ha segnato un progresso rivoluzionario verso il raggiungimento della superconduttività a temperatura ambiente. A causa della temperatura di transizione ben al di sopra del punto di ebollizione dell'azoto liquido, i ricercatori parlano di superconduttori ad alta temperatura.
La chiave per comprendere la superconduttività risiede nel gap superconduttivo, una proprietà fondamentale che rivela come gli elettroni si accoppiano per formare lo stato superconduttivo. È l'identificazione dello stato superconduttivo che si distingue dagli altri stati metallici.
Tuttavia, la misurazione del gap superconduttivo nei materiali ricchi di idrogeno come l'H₃S è rimasta estremamente difficile. Questi composti devono essere sintetizzati in situ a pressioni straordinarie - più di un milione di volte la pressione atmosferica - rendendo inapplicabili le tecniche convenzionali per misurare la lacuna, come la spettroscopia di tunneling a scansione e la spettroscopia di fotoemissione risolta ad angolo.
La tecnica di tunneling fornisce una visione diretta dello stato superconduttivo dei composti ricchi di idrogeno
Per superare questa barriera, i ricercatori del Max Planck Institute di Mainz hanno sviluppato una spettroscopia di tunneling di elettroni planari in grado di operare in condizioni così estreme. Questo risultato ha permesso di sondare per la prima volta la lacuna superconduttiva in H₃S, offrendo una visione diretta dello stato superconduttivo dei composti ricchi di idrogeno.
Grazie a questa tecnica, i ricercatori hanno scoperto che l'H₃S presenta un gap superconduttore completamente aperto con un valore di circa 60 millielettronvolt (meV), mentre il suo analogo del deuterio, il D₃S, mostra un gap di circa 44 meV. Il deuterio è un isotopo dell'idrogeno e ha un neutrone in più. Il fatto che la lacuna in D₃S sia più piccola che in H₃S conferma che l'interazione degli elettroni con i fononi - vibrazioni quantizzate del reticolo atomico di un materiale - causa il meccanismo superconduttivo di H₃S, supportando le previsioni teoriche di lunga data.
Per i ricercatori di Magonza, questa scoperta non è solo un risultato tecnico, ma pone anche le basi per svelare completamente l'origine della superconduttività ad alta temperatura nei materiali ricchi di idrogeno. "Speriamo che, estendendo questa tecnica di tunneling ad altri superconduttori a idruri, si possano individuare i fattori chiave che consentono la superconduttività a temperature ancora più elevate. Ciò dovrebbe consentire, in ultima analisi, lo sviluppo di nuovi materiali in grado di operare in condizioni più pratiche", afferma il dottor Feng Du, primo autore dello studio ora pubblicato.
Il dottor Mikhail Eremets, pioniere nel campo della superconduttività ad alta pressione deceduto nel novembre 2024, ha descritto lo studio come "il lavoro più importante nel campo della superconduttività degli idruri dopo la scoperta della superconduttività in H₃S nel 2015". Vasily Minkov, capo progetto di Chimica e Fisica delle alte pressioni presso l'Istituto Max Planck per la Chimica, ha commentato: "La visione di Mikhail di superconduttori operanti a temperatura ambiente e pressioni moderate si avvicina di un passo alla realtà grazie a questo lavoro".
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