Cos'è un superconduttore: due parole sulla presunta scoperta epocale dei giorni scorsi

Individuare nuovi materiali che permettano di migliorare i processi industriali, ridurre i consumi energetici, promuovere un approccio ecosostenibile, è una delle attività più importanti per gli scienziati, soprattutto in ottica futura.
Abbiamo visto, ad esempio, cosa sono le terre rare e perché la scoperta di nuovi giacimenti sia essenziale.

In generale, l’individuazione di nuovi materiali è importante per diverse ragioni: miglioramento delle prestazioni, riduzione dei costi, sostenibilità, accelerazione dell’innovazione (nascita di nuove tecnologie e applicazioni che altrimenti non sarebbero possibili).

Cos’è un superconduttore e perché è importante

Parlando di superconduttori, la ricerca di materiali che hanno la capacità di condurre corrente elettrica senza resistenza è molto importante. Un superconduttore performante offrirebbe la possibilità di far fluire la corrente senza perdita di energia.

La resistenza elettrica in un materiale è il risultato degli urti tra gli elettroni e gli atomi che compongono la struttura cristallina. Nella maggior parte dei materiali, quando la temperatura aumenta, gli atomi si muovono più velocemente e si verificano più urti, il che aumenta anche la resistenza elettrica.
In un superconduttore gli elettroni formano uno stato legato chiamato “coppia di Cooper” che si comporta come una singola particella con carica elettrica doppia. Queste coppie possono attraversare il materiale senza urtarsi con gli atomi e quindi senza perdite di energia.

Attualmente, la maggior parte dei superconduttori sono utilizzati solo in applicazioni specializzate a bassa temperatura. Per funzionare, tuttavia, richiedono temperature estremamente basse, vicine allo zero assoluto (-273,15°C), e pressioni particolarmente elevate. Questo limita notevolmente le applicazioni pratiche dei superconduttori e il loro impiego su larga scala.

Se fosse possibile trovare superconduttori che funzionano a temperature più elevate, come la temperatura ambiente, ciò potrebbe avere un impatto rivoluzionario su molte aree della tecnologia e dell’industria oltre che, come evidenziato in apertura, sulla sostenibilità ambientale.

L’eliminazione della necessità di utilizzare liquidi criogenici per mantenere il superconduttore a una temperatura così bassa potrebbe rendere l’uso dei superconduttori molto più pratico e meno costoso. Ciò potrebbe portare a un’ampia gamma di nuove applicazioni, come trasmissioni di energia elettrica ad alta efficienza, motori e generatori ad alta potenza, dispositivi di memoria elettronica a velocità ultra-alta e sensori ad alta precisione.

All’atto pratico, si potrebbero avere reti elettriche di nuovissima generazione che trasmettono elettricità senza la perdita di qualcosa come 200 milioni di megawattora (MWh) dell’energia a causa della resistenza nei fili; treni ad alta velocità che si spostano senza attrito grazie alla levitazione; nuove tecniche di imaging e scansione in ambito medico; elettronica più veloce ed efficiente.

La scoperta di superconduttori che funzionano alla temperature ambientale e a pressioni normali potrebbe portare a grandi vantaggi tecnologici ed economici contribuendo a migliorare l’efficienza energetica, a ridurre le emissioni di gas serra e a promuovere lo sviluppo di nuove tecnologie sostenibili.

Ovvio quindi che quando vengono pubblicate nuove ricerche circa la scoperta di superconduttori utilizzabili a temperature e pressioni vicine agli “standard”, la notizia ha immediatamente un’eco planetaria.

La scoperta di nuovi superconduttori: tra speranze e scetticismo

Nei giorni scorsi, un team della Rochester University, guidato da Ranga Dias, ha annunciato la scoperta di un superconduttore ovvero l’idruro di lutezio drogato con azoto (NDLH) che avrebbe una grande caratteristica ovvero quella di manifestare il suo comportamento già alla temperatura ambiente (20,5°C) e a una pressione di 10 Kilobar (145.000 psi). Il lutezio, tra l’altro, è un elemento che appartiene proprio alle terre rare, citate nell’introduzione. I principi della ricerca sono illustrati dallo stesso Dias in un video su YouTube.

La pressione può sembrare ancora molto elevata visto che al livello del mare, in natura, è pari a circa 15 psi. Purtuttavia è di gran lunga inferiore ai milioni di atmosfere tipicamente richiesti per i superconduttori che operano a temperatura ambiente. Inoltre, è più bassa delle pressioni usate nelle produzione dei chip.

Lo studio di Dias e dei suoi collaboratori è stato pubblicato su Nature; inoltre, una dimostrazione è stata tenuta a Las Vegas dinanzi a una platea selezionata alla quale, tuttavia, è stata tolta la possibilità di fare domande.

La ricerca deve affrontare un notevole scetticismo, in parte dovuto alla “storia” di Dias. Gli editori di Nature furono costretti a ritirare la pubblicazione di una ricerca su un altro superconduttore dopo le accuse di irregolarità nella raccolta e nella gestione dei dati che sono state portate alla luce da alcuni esperti.
Non solo quella ricerca venne ritirata, cosa poco comune per una rivista come Nature, ma altri ricercatori affermarono di non essere stati in grado di riprodurre quanto rappresentato da Dias.

Nel caso della ricerca appena pubblicata, la fisica teorica Lilia Boeri dell’Università La Sapienza di Roma esprime i suoi dubbi sui risultati che vengono definiti come “strani”, “qualcosa di completamente inaspettato“. I calcoli teorici sul comportamento di idruri analoghi non suggeriscono insomma che il materiale individuato da Dias e dai suoi sia davvero superconduttivo alla temperatura e alla pressione descritte. E se quanto sostenuto corrispondesse al vero – è la tesi di Boeri – il materiale sarebbe molto diverso dagli altri idruri.

Se un folto gruppo di scienziati si dichiara molto cauto, per usare un eufemismo, sul lavoro svolto da Dias, la ricerca sui superconduttori prosegue a pieno ritmo e a questo punto si aspetta soltanto che gli esperimenti svolti in laboratorio siano finalmente dichiarati replicabili dall’intera comunità di esperti.

Le foto utilizzate come miniature per l’articolo sono tratte dal video YouTube dell’Università di Rochester.