Nuovi materiali facilitano la ricerca della superconduttività a temperatura ambiente.

12 maggio 2023

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da Skolkovo Institute of Science and Technology

Scienziati dell'Università di Jilin, del Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research e di Skoltech hanno sintetizzato il poliidruro di lantanio-cerio, un materiale che promette di facilitare gli studi sulla superconduttività vicino alla temperatura ambiente. Offre un compromesso tra i poliidruri di lantanio e cerio in termini di raffreddamento e pressione necessari. Ciò consente esperimenti più facili, che potrebbero condurre un giorno a composti che conducono l'elettricità senza resistenza alle condizioni ambientali - un sogno di ingegneria che è in costruzione da molti anni. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications. 

Una delle domande più intriganti della fisica moderna è: possiamo creare un materiale che conduca l'elettricità senza resistenza (superconduttori) a temperatura ambiente e pressione atmosferica? Un tale superconduttore consentirebbe reti elettriche con un'efficienza senza precedenti, microchip ultra-veloci ed elettromagneti così potenti da poter far levitare treni o controllare reattori a fusione.

Nella loro ricerca, gli scienziati stanno sondando diverse classi di materiali, aumentando lentamente la temperatura a cui avviene la superconduttività e riducendo la pressione richiesta per rimanere stabili. Uno di questi gruppi di materiali è costituito dai poliidruri - composti con un contenuto di idrogeno estremamente alto. A -23°C, il campione attuale per la superconduttività ad alta temperatura è un poliidruro di lantanio con la formula LaH10. Lo svantaggio: richiede una pressione di 1,5 milioni di atmosfere. All'estremo opposto dello spettro, i cuprati sono una classe di materiali che supercondurranno a pressione atmosferica normale ma richiedono temperature più fresche - non più di -140°.

Ora, i ricercatori di Skoltech e i loro colleghi cinesi sono riusciti a ridurre i requisiti di pressione dei superconduttori poliidruri. Per fare ciò, il team ha aggiustato il sistema lantanio-idrogeno aggiungendo del cerio nel mix. Fisicamente, ciò significava creare una lega di lantanio-cerio e riscaldarla in una cella ad alta pressione con borano di ammonio, una sostanza che rilascia molta idrogeno durante la decomposizione.

Lantanio e cerio sono due atomi molto simili che formano composti analoghi e possono spesso essere sostituiti l'uno con l'altro. Tuttavia, mentre la superconduttività è stata segnalata per i poliidruri LaH10 e CeH10, nonché CeH9, la fase corrispondente di LaH9 è raramente vista dagli sperimentatori. Gli scienziati hanno deciso di testare l'ipotesi: dovrebbe essere possibile stabilizzare LaH9 integrandolo con un additivo scelto in modo appropriato, come il cerio, a condizione che questo modifichi la struttura del materiale originale. E ha funzionato.

'Una pressione molto elevata costringe il lantanio puro e l'idrogeno nella struttura LaH10. Ma se sostituisci circa 1 lantanio su 4 con cerio, questo riorganizza la struttura in quella vista in CeH9. In questo senso, l'introduzione del terzo elemento modifica la struttura che il materiale puro avrebbe altrimenti assunto. E questo additivo contribuisce alla stabilità: rispetto ai 1,5 milioni di atmosfere necessari per LaH10, il nostro poliidruro di lantanio-cerio è stabile solo a 1 milione di atmosfere. Questa è pressoché la stessa pressione richiesta dai poliidruri di cerio, ma questi mostrano superconduttività solo al di sotto di -158°C, mentre il nuovo superconduttore funziona a -97°C. Quindi è un buon compromesso, ma, cosa più importante, è una garanzia che il nostro ragionamento sia giusto,' commenta il professor Artem R. Oganov di Skoltech, co-autore dello studio.

Lavorando in un settore in cui non molto tempo fa molti hanno dubitato che la cosiddetta superconduttività convenzionale - come quella nei poliidruri - potesse mai esistere a temperature superiori a -230°C circa, Oganov assegna particolare importanza alla verifica e al perfezionamento delle regole che rendono possibile scoprire e migliorare i superconduttori in modo affidabile e sistematico. Quindi, anche se pensa che i poliidruri in generale difficilmente verranno portati a supercondurre a pressione atmosferica (che è una condizione necessaria per le applicazioni su larga scala come i treni maglev o le reti elettriche senza perdite), afferma che il loro studio offre conoscenze sulla superconduttività che ci avvicinano a raggiungere quell'obiettivo ultimo con altri materiali.

'Polyhydrides are an Eldorado for fundamental superconductor research under pressure,' Oganov says. 'And by synthesizing our new compound, we have both tested and refined the tools and tricks useful in this quest and supplied a convenient material for further studies.'

'The work is also interesting for two key experiments: It shows the possible anisotropy of the upper critical field for hydrides. That is, the dependence of critical temperature on the direction of the magnetic field. And it also shows that with a decrease in pressure, a pseudogap phase manifests in polyhydrides,' study co-author and Skoltech Ph.D. alumnus Dmitrii Semenok said, adding that both properties are characteristic of cuprate superconductors. 'Thus, on closer inspection, polyhydrides turn out to be much like cuprates despite the different mechanisms of superconductivity.'

Asked about other promising compounds that current polyhydride research is leading to, the researchers responded that hydrides and borohydrides of calcium, yttrium, lanthanum, and magnesium seem to deserve research attention at this point.

Journal information: Nature Communications

Provided by Skolkovo Institute of Science and Technology