La ricerca sui superconduttori avanza nonostante le controversie sulle affermazioni sorprendenti

Con le sue audaci affermazioni sui rivoluzionari superconduttori a temperatura ambiente, il fisico Ranga Dias dell'Università di Rochester a New York ha portato sotto i riflettori il campo della fisica dell'alta pressione.

Ora, dopo due ritrattazioni cartacee e accuse di plagio, c’è un’ombra di sospetto intorno a Dias, e alcuni fisici sono preoccupati che gli estranei possano sospettare che l’intero campo sia allo sbando. "Il grosso rischio è che tutta questa faccenda... getti una luce negativa su questo campo", dice la fisica teorica Lilia Boeri.

Ma altre ricerche sui superconduttori ad alta temperatura sono solide, dicono molti ricercatori. Diversi gruppi hanno replicato i risultati chiave e i calcoli teorici concordano con gli esperimenti nel mondo reale. I fisici stanno studiando nuove classi di superconduttori e confermando le previsioni teoriche. La speranza è che tali progressi graduali portino alla fine gli scienziati a realizzare un superconduttore più pratico.

"La cosa triste è che c'è molto lavoro interessante in questo campo, ma questa [polemica] ha attirato così tanta attenzione", afferma Boeri, dell'Università La Sapienza di Roma.

Per rafforzare ulteriormente la legittimità scientifica delle loro affermazioni, gli scienziati stanno ora sviluppando nuovi modi per identificare la superconduttività, discutendo quali standard dovrebbero essere soddisfatti prima di poter affermare di aver raggiunto la superconduttività e discutendo nuove norme sulla condivisione dei dati.

Il lavoro, dicono gli scienziati, potrebbe aiutare i ricercatori a scongiurare qualsiasi futura discutibile affermazione sulla superconduttività, che non è rara in fisica. "Tutti riconosciamo che il nostro campo rischia di essere ignorato dalla più ampia comunità scientifica a causa di tutti i falsi positivi", afferma il fisico teorico Peter Hirschfeld dell'Università della Florida a Gainesville.

Con il potere di condurre l’elettricità senza resistenza, i superconduttori promettono di trasformare la tecnologia moderna, se possono essere fatti funzionare a temperature e pressioni adatte all’uso quotidiano. Questa allettante possibilità alimenta l’hype a livelli insoliti nel regno tipicamente esoterico della ricerca fisica.

La prima strabiliante dichiarazione sulla superconduttività da parte del gruppo Dias è arrivata nel 2020. Mentre la maggior parte dei superconduttori deve essere raffreddata a temperature molto fredde per funzionare, un materiale composto da carbonio, zolfo e idrogeno è rimasto superconduttore fino a 15° Celsius (59° Fahrenheit). e colleghi hanno riportato su Nature.

Quel materiale, come molti dei superconduttori ad altissima temperatura, doveva essere compresso ad alta pressione, il che significa che non era fattibile per l’uso pratico. Tuttavia, presumibilmente è stata la prima dimostrazione di un superconduttore a temperatura ambiente a lungo ricercato.

Ma dopo che altri scienziati hanno sollevato dubbi sui dati e sui metodi, Nature ha ritirato l’articolo, contro le proteste di Dias e degli altri autori.

A marzo, il team di Dias ha risposto con un’affermazione ancora più grande. Un materiale costituito da superconduttori di lutezio, azoto e idrogeno a temperatura ambiente e a pressioni molto più vicine alla pressione atmosferica, hanno riferito su Nature.

Nel frattempo, gli scettici hanno approfondito la storia di Dias, sostenendo un diffuso plagio nel suo dottorato. tesi, secondo un'analisi riportata in un articolo su Science. Lo scavo ha anche segnalato un articolo del 2021 di cui Dias è stato coautore in Physical Review Letters, o PRL, non correlato ai due articoli di Nature sulla superconduttività. Un'indagine della PRL ha trovato prove di falsificazione dei dati, ha riferito Nature a luglio. Con il consenso di tutti gli autori tranne Dias, la PRL ha ritirato l'articolo il 15 agosto.

Alla domanda sulla ritrattazione, Dias ha affermato in una e-mail che "non c'è stata alcuna fabbricazione di dati, manipolazione di dati o qualsiasi altra cattiva condotta scientifica in relazione al nostro lavoro".

Dias è ora sotto indagine da parte dell'Università di Rochester, ha detto un portavoce dell'università.

In mezzo a tutta questa controversia, gli estranei potrebbero immaginare che l’intero campo sia sospetto, afferma il fisico Mikhail Eremets dell’Istituto Max Planck di chimica di Magonza, in Germania. "Ma in realtà non è assolutamente così, perché altre persone... stanno facendo un [lavoro] davvero buono, grandioso e molto ben confermato."

La fisica dell’alta pressione è altamente specializzata e gli esperimenti che hanno successo in un laboratorio possono essere difficili da replicare altrove. Ma il consenso si è gradualmente formato attorno a diversi superconduttori da record.

La ricerca si concentra su materiali ricchi di idrogeno noti come idruri. Questa scelta è stata ispirata dalla previsione secondo cui l’idrogeno puro sarebbe diventato un metallo superconduttore se compresso a pressioni estreme. Poiché tali pressioni si sono rivelate difficili da raggiungere, gli scienziati hanno aggiunto altri elementi all’idrogeno nella speranza di abbassare la pressione necessaria.

Il primo grande successo fu un composto di zolfo e idrogeno, che all'epoca batté il record per il superconduttore con la temperatura più alta (SN: 15/12/15). Superconduce fino a circa 203 Kelvin (-70° C), hanno riferito Eremets e colleghi su Nature nel 2015. Poi, nel 2018, gli scienziati hanno incoronato l'attuale detentore del record (scontando il lavoro di Dias), un composto di lantanio e idrogeno, che superconduce fino a circa −20° C (SN: 9/10/18).

In entrambi i casi, più gruppi hanno confermato i risultati. E i calcoli teorici concordano sul fatto che i materiali sono superconduttori a temperature così elevate. Anche così, entrambi i superconduttori richiedono una compressione pari a oltre un milione di volte la pressione dell’atmosfera terrestre, limitando la loro utilità pratica. Anche altri superconduttori ad alta temperatura, come l'idruro di ittrio, sono stati replicati da più gruppi.

Al contrario, i fisici hanno faticato a riprodurre in modo definitivo il superconduttore lutezio del gruppo Dias, o a trovare una spiegazione teorica convincente per esso. Questo, unito alle precedenti ritrattazioni, lascia molti ricercatori dubbiosi. "Non mi fido assolutamente dei risultati di questo gruppo", afferma il fisico Dmitrii Semenok del Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research di Pechino.

In un'e-mail, Dias ha respinto le preoccupazioni, scrivendo che "se le persone hanno difficoltà a replicare il mio lavoro, non è sorprendente: non tutti saranno in grado di fare ciò che mi ci sono voluti anni per realizzare".

Alla luce delle ritrattazioni e delle repliche fallite, molti fisici ritengono che altri sviluppi nel campo siano più degni della loro attenzione.

Un tema caldo sono gli idruri ternari, materiali in cui l’idrogeno è combinato con due elementi aggiuntivi invece di uno solo. Esplorando le numerose possibili combinazioni di elementi nella tavola periodica, i fisici sperano di trovare nuovi superconduttori che funzionino a pressioni più basse e temperature più elevate rispetto agli idruri studiati finora (SN: 19/3/21).

A giugno, gli scienziati hanno riportato il primo esempio di un idruro ternario con una struttura di atomi completamente nuova, mai vista nei precedenti idruri binari. Fatto di lantanio, berillio e idrogeno, il materiale era superconduttore fino a circa 100 Kelvin (circa -173° C), riferiscono i ricercatori in un articolo pubblicato su PRL. Non è affatto un record. Ma il materiale richiede meno pressione rispetto ad altri idruri, afferma il fisico Yanming Ma dell'Università di Jilin a Changchun, in Cina. “Abbiamo il primo esempio. Poi, in seguito, forse le persone si baseranno sul nostro lavoro”.

In un altro sviluppo recente, i fisici hanno risolto un problema vecchio di dieci anni. Un superconduttore previsto nel 2012, l'idruro di calcio, è stato finalmente prodotto, hanno riferito due team indipendenti nel 2022 su PRL e Nature Communications. Questo è stato il primo superconduttore idruro previsto con una struttura “clatrato”, in cui gli atomi di idrogeno formano una gabbia attorno a un altro tipo di atomo.

Questa struttura clatrata è stata poi trovata in altri superconduttori ad alta temperatura, incluso il detentore del record accettato, l'idruro di lantanio. La scoperta dell'idruro di calcio "è davvero un bel successo", afferma la fisica teorica Eva Zurek dell'Università di Buffalo a New York. "Esempi come questo vanno contro l'affermazione... che l'intero campo sta facendo un lavoro schifoso."

Finora, gli idruri richiedono ancora una forte pressione per essere superconduttori. "È molto difficile abbassare la pressione di questi... idruri alle condizioni ambientali", afferma il fisico teorico Hanyu Liu dell'Università di Jilin.

Alcuni fisici stanno andando oltre l’idrogeno. Il fisico Timothy Strobel sta sostituendo altri elementi luminosi. Sta studiando i clatrati costituiti non da idrogeno ma da boro e carbonio, il quinto e il sesto elemento della tavola periodica.

In tali materiali, "ci aspetteremmo una superconduttività a temperature moderatamente elevate, ma non così elevate come quelle dell'idrogeno", afferma Strobel, del Carnegie Institution for Science di Washington, D.C.

Ma questo compromesso potrebbe valerne la pena. Con tali materiali, gli scienziati sperano di trovare strutture sufficientemente robuste da resistere alla pressione atmosferica. È simile alla forma più appariscente del carbonio, il diamante, che si forma sotto pressione ma rimane intatto una volta rilasciata la pressione. In un articolo pubblicato a gennaio sul Journal of American Chemical Society, Zurek, Strobel e colleghi prevedono che alcuni tipi di questi materiali potrebbero essere superconduttori a temperature fino a 88 Kelvin (circa –185° Celsius) a pressione atmosferica.

Questo potrebbe sembrare basso rispetto agli idruri ad alta pressione. Ma temperature superiori a 77 Kelvin (circa -196° C), il punto di ebollizione dell’azoto liquido, sono più facilmente raggiungibili nell’uso pratico, perché come refrigerante non è necessario il costoso elio liquido. Al contrario, le alte pressioni sono attualmente proibitive per scopi pratici. Raggiungere la pressione ambiente può essere più importante della temperatura ambiente, sostiene Strobel.

Parallelamente allo studio di nuovi superconduttori, i fisici dell’alta pressione stanno anche discutendo su come evitare in futuro controversie nel loro campo.

Alcuni chiedono una maggiore condivisione dei dati grezzi, con l’intento di rendere le affermazioni più facili da verificare e gli esperimenti più facili da replicare. Semenok, ad esempio, pubblica online dati grezzi per la maggior parte dei suoi articoli. Altri fisici del settore trovano l’idea interessante. "Questo dovrebbe davvero essere lo standard per le principali riviste", afferma Eremets. “Nella nostra epoca, perché no?”

Sebbene il gruppo di Dias abbia fornito dati associati al loro articolo sul superconduttore di lutezio su Nature, ciò non ha soddisfatto altri scienziati. "Secondo me, praticamente nessuno dei dati caricati è costituito da dati grezzi", afferma il fisico James Hamlin dell'Università della Florida a Gainesville. "I dati grezzi sono un file di dati creato dal software di misurazione il giorno della misurazione e non più modificato da quel momento in poi." I dati del team Dias non rientrano in questo quadro, afferma Hamlin.

I fisici stanno anche lavorando per rafforzare le prove della superconduttività nei loro materiali. Non è solo una questione di resistenza o di mancanza di resistenza. I superconduttori presentano altre caratteristiche distintive. Un segno rivelatore è l’effetto Meissner, in cui un materiale espelle campi magnetici. Questo e altri effetti possono aiutare a confermare che la superconduttività è reale.

Ma gli esperimenti ad alta pressione coinvolgono semplici granelli di materiale schiacciati tra due diamanti. Effettuare misurazioni chiare dell’effetto Meissner e di altri segni distintivi della superconduttività può essere difficile in tali condizioni.

Quindi gli scienziati stanno escogitando ulteriori modi per confermare la superconduttività. Ad esempio, quando alcuni tipi di superconduttori vengono esposti a un campo magnetico e il campo magnetico viene successivamente disattivato, un campo magnetico residuo rimane intrappolato all'interno del superconduttore. In un articolo di giugno su Nature Physics, Eremets e colleghi hanno riportato misurazioni di campi magnetici intrappolati sia negli idruri di zolfo che di lantanio, consolidando ulteriormente la tesi della loro superconduttività.

Alcuni fisici chiedono anche una serie di criteri che gli scienziati dovrebbero soddisfare prima di affermare di aver trovato un nuovo superconduttore. "Dovrebbe esserci uno standard generale su ciò che si dovrebbe dimostrare per affermare la superconduttività", afferma Boeri.

Oltre a misurare un drammatico calo di resistività, Hirschfeld suggerisce di richiedere altri marcatori di superconduttività, come mostrare che un campo magnetico abbassa la temperatura al di sotto della quale un materiale diventa un superconduttore. Sarebbero necessarie diverse altre misurazioni affinché la comunità scientifica accetti il risultato, con i risultati confermati da gruppi indipendenti.

Nonostante gli sforzi per rafforzare la ricerca sui superconduttori, sarà probabilmente difficile eliminare le false affermazioni sulla superconduttività a temperatura ambiente. “Non è qualcosa di raro; succede di tanto in tanto”, dice Semenok. Il fascino del superconduttore a temperatura ambiente incombe enorme.

Caso in questione: un presunto superconduttore a temperatura ambiente e pressione ambientale chiamato LK-99, segnalato prima della peer review su arXiv.org a luglio, è diventato virale sui social media. Ulteriori indagini scientifiche presto smentirono per lo più l'affermazione.

Per quanto riguarda Dias, il suo superconduttore a base di lutezio è ancora nella documentazione scientifica, per ora. Dopo che i ricercatori hanno sollevato preoccupazioni riguardo al documento, Nature ha iniziato a esaminarlo. "Stiamo attualmente valutando le preoccupazioni che sono state sollevate con noi, ma non possiamo discutere le specifiche di tali preoccupazioni relative a un particolare documento mentre sono in corso tali valutazioni post-pubblicazione", ha detto un portavoce di Nature.

Il documento ora reca una nota cautelativa del redattore. L’affidabilità dei dati del documento, afferma, è in questione.

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