Scienziati dei superconduttori vicini alla perdita di energia zero

I ricercatori negli Stati Uniti hanno svelato i segreti dei superconduttori ad alta temperatura. I ricercatori dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno scoperto come minuscole modifiche nella struttura del superidruro consentano la superconduttività a temperature prossime a quella ambiente ma a pressioni estreme, offrendo spunti per la progettazione di superconduttori più pratici.

«Questi esperimenti dimostrano le potenzialità dell’APS potenziato. Ora possiamo studiare le strutture a livello atomico con un livello di dettaglio senza precedenti nei materiali sottoposti a pressioni estreme», ha affermato Maddury Somayazulu, fisico di Argonne.

I ricercatori hanno scoperto che i superconduttori permettono all’elettricità di fluire senza resistenza, il che significa che non si perde energia sotto forma di calore. Questa proprietà li rende utili per tecnologie come gli scanner MRI, gli acceleratori di particelle, i treni a levitazione magnetica e alcuni sistemi di trasmissione di energia.

I ricercatori hanno inoltre sottolineato che la maggior parte dei superconduttori, tuttavia, funziona solo a temperature estremamente basse, spesso centinaia di gradi sotto zero Fahrenheit. Mantenere i materiali a temperature così basse richiede sistemi di raffreddamento complessi e costosi, il che limita i campi di applicazione dei superconduttori.

Ora, i ricercatori negli Stati Uniti hanno contribuito a fare un passo avanti per superare questa limitazione. Hanno acquisito nuove conoscenze su una classe di materiali chiamati superidruri, che possono diventare superconduttori a temperature molto più elevate, intorno ai 10 gradi Fahrenheit.

Nel nuovo studio, Hemley e i suoi colleghi ricercatori hanno esplorato la possibilità di ridurre la pressione necessaria per ottenere la superconduttività modificando la composizione chimica del materiale. Hanno aggiunto una piccola quantità di ittrio al superidruro di lantanio per renderlo più stabile e diminuire la pressione richiesta.

«Per raggiungere queste pressioni estreme, abbiamo compresso un minuscolo campione tra due diamanti», ha affermato Maddury Somayazulu, fisico dell’APS. Il dispositivo a incudine di diamante del team è in grado di generare pressioni fino a cinque milioni di atmosfere.

Dopo aver formato il materiale superconduttore ad alta pressione e temperatura, il team ha utilizzato raggi X ad alta energia provenienti dall’APS per studiarne la struttura (presso le linee di fascio 16-ID-B e 13-ID-D).

«Abbiamo focalizzato un intenso fascio di raggi X su un campione spesso solo pochi micrometri e largo dai dieci ai venti micrometri», ha affermato Vitali Prakapenka, scienziato della linea di fascio e professore di ricerca presso l’Università di Chicago. Un micrometro corrisponde a circa 1/70 della larghezza di un capello umano.

Il recente aggiornamento dell’APS ha reso possibili queste misurazioni. Il suo fascio di raggi X più luminoso e focalizzato ha permesso ai ricercatori di studiare campioni estremamente piccoli variando la pressione, secondo un comunicato stampa.

«Quel fascio ci ha permesso di separare i segnali provenienti dal minuscolo campione stesso da quelli provenienti dai materiali circostanti e dalle incudini di diamante», ha affermato Prakapenka.

Il team ha scoperto che piccole differenze nella disposizione degli atomi in un reticolo cristallino possono influenzare fortemente la superconduttività. Hanno identificato due diverse strutture cristalline, ognuna delle quali diventa superconduttrice a una temperatura leggermente diversa, come riportato nel comunicato stampa.

«Questi esperimenti dimostrano cosa può fare l’APS aggiornato», ha affermato Somayazulu. «Ora possiamo studiare le strutture a livello atomico con un dettaglio senza precedenti nei materiali sottoposti a pressioni estreme.»

I ricercatori hanno inoltre sottolineato che, sebbene le pressioni utilizzate negli esperimenti siano ancora molto elevate (circa 1,4 milioni di volte la pressione atmosferica), considerano questo un passo avanti a lungo termine. Stanno aggiungendo altri elementi per ridurre ulteriormente la pressione, con l’obiettivo di rendere questi materiali utilizzabili in ambito pratico.

Superconduttori con capacità di condurre elettricità con resistenza zero, rivoluzionano molti settori. Permettono di creare magneti potentissimi senza dispersioni energetiche, utilizzati negli scanner MRI per diagnostica medica ad alta risoluzione e nei levitatori magnetici per treni superveloci come i Maglev, che fluttuano sopra i binari riducendo attrito e consumi.

Nelle reti elettriche, i cavi superconduttori trasportano enormi quantità di energia su lunghe distanze senza perdite, migliorando l’efficienza delle rinnovabili e riducendo lo spreco globale. Nei computer quantistici, i superconduttori formano qubit (cioè unità fondamentale di informazione nei computer quantistici) stabili a temperature criogeniche, accelerando calcoli impossibili per i sistemi tradizionali.

Superconduttori di questa fattura possono generare campi magnetici intensi per esperimenti di fisica delle particelle e fusione nucleare controllata, aprendo la strada a energia pulita illimitata. In futuro, potrebbero abilitare voli ipersonici o storage di energia magnetica ad altissima densità. La perdita energetica zero trasforma efficienza, velocità e innovazione tecnologica.

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Immagine di Julien Bobroff, Frederic Bouquet, Jeffrey Quilliam, LPS, Orsay, France via Wikimedia pubblicata su licenza Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported