Nuovi potenziali superconduttori a base di idrogeno
La superconduttività è un affascinante fenomeno che si verifica in alcuni materiali, in base al quale se vengono raffreddati al di sotto di una determinata temperatura perdono ogni resistenza elettrica, diventando dei conduttori perfetti. «Ciò li rende materiali ideali per svariate applicazioni elettromagnetiche», spiega Ion Errea(si apre in una nuova finestra), coordinatore del progetto SuperH e ricercatore presso l’Università dei Paesi Baschi(si apre in una nuova finestra). «Tra di esse figurano, ad esempio, motori elettrici, generatori di energia, macchine a risonanza nucleare e sensori.»
Il potenziale dei materiali a base di idrogeno
Una sfida fondamentale da superare in tal ambito, tuttavia, risiede nel fatto che questa temperatura critica è solitamente estremamente bassa, nell’ordine di pochi kelvin, il che ha limitato l’applicazione pratica dei superconduttori. Il progetto SuperH, sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra), si è proposto di affrontare questa sfida studiando il potenziale insito nei materiali a base di idrogeno fondando il proprio lavoro sulle recenti previsioni secondo cui questi materiali potrebbero fungere da superconduttori a temperature più elevate. «Volevamo verificare se nella famiglia dei materiali a base di idrogeno esistono in effetti dei superconduttori ad alta temperatura in grado di funzionare alla pressione dell’aria circostante, l’aria ambiente», spiega Errea.
Nuovi calcoli ai principi primi
Per verificare se la superconduttività ad alta temperatura è possibile nei superconduttori a base di idrogeno a bassa pressione, persino a quella ambiente, il team ha innanzitutto cercato di comprendere in maniera migliore quando e perché questi materiali raggiungono temperature critiche elevate. Successivamente, l’équipe ha voluto sviluppare nuovi strumenti teorici al fine di identificare i composti possibili e di calcolarne quindi con precisione le temperature critiche. «Abbiamo ricorso all’impiego dei calcoli teorici ai principi primi per comprendere e caratterizzare i materiali a base di idrogeno e per prevedere l’esistenza di nuovi superconduttori», aggiunge Errea. I calcoli ai principi primi comportano la scomposizione di problemi complessi fino ai loro presupposti fondamentali, seguita da un processo di ragionamento a partire da tali principi di base. «Tuttavia, i materiali che contengono grandi quantità di idrogeno sono influenzati dalle fluttuazioni quantistiche. I metodi teorici basati sui principi primi sviluppati all’inizio del progetto non erano pronti a includere questi effetti quantistici, a prevedere la stabilità termodinamica o a calcolare le temperature critiche superconduttive.» Per superare questa barriera, Errea e il suo team hanno pertanto sviluppato nuovi metodi basati sui principi primi che sono stati poi utilizzati al fine di caratterizzare i composti e prevedere nuovi superconduttori a base di idrogeno.
Opportunità di ricerca sulla superconduttività inedite
Il lavoro svolto nell’ambito del progetto ha portato alla realizzazione di una serie di scoperte; ad esempio, Errea e la sua squadra sono riusciti a dedurre che i superconduttori a base di idrogeno acquisiscono un’elevata temperatura critica quando creano reti di legame con elettroni localizzati. «Questo indizio ci ha aiutato a orientarci nella ricerca di nuovi materiali», spiega l’esperto. «Siamo inoltre riusciti a capire che le fluttuazioni quantistiche dell’idrogeno sono positive per la superconduttività in questi composti: esse contribuiscono a stabilizzare termodinamicamente e dinamicamente composti ad alta temperatura a pressioni molto più basse del previsto.» Grazie a queste conoscenze e ai nuovi metodi sviluppati, il progetto SuperH è stato in grado di prevedere una serie di nuovi materiali, ad esempio RbPH3. «Secondo i nostri calcoli, tale materiale può essere sintetizzato a una pressione di 30 GPa (che è molto elevata) e rimane stabile fino alla pressione ambiente con una temperatura critica che si aggira intorno ai 100 kelvin.» Ciò dimostra che i superconduttori a base di idrogeno ad alta temperatura critica possono esistere a pressione ambiente, aprendo nuove strade nel vasto campo della superconduttività e nuove speranze di scoprire interessanti superconduttori inediti che siano in grado di migliorare quelli esistenti. «La sfida, adesso, consiste nel collaborare con i ricercatori sperimentali allo scopo di aiutarli a sintetizzare le nostre nuove previsioni, per esempio RbPH3», osserva Errea, che conclude: «Nel frattempo, continueremo a effettuare ulteriori previsioni di materiali simili.»
