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Campione di idruro metallico in cella a incudine di diamante

Immaginate un mondo in cui l'elettricità scorre senza alcuna resistenza, i treni a levitazione magnetica sono la normalità e i computer quantistici funzionano a temperatura ambiente. Questo sogno, che per decenni è stato confinato a temperature prossime allo zero assoluto, si sta avvicinando alla realtà grazie a una classe di materiali chiamati idruri metallici superleggeri, capaci di diventare superconduttori a temperature fino a 250 Kelvin (circa -23 gradi Celsius) e a pressioni che, per quanto ancora elevate, sono drasticamente inferiori a quelle richieste in passato. Questa rivoluzione, guidata da gruppi di ricerca in Germania, Stati Uniti e Cina, sta riscrivendo i libri di fisica della materia condensata e accende la speranza di trovare finalmente il Santo Graal della superconduttività a pressione ambiente. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO.

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Il meccanismo BCS modificato e la ricerca dell'idruro perfetto
La teoria classica della superconduttività, formulata da Bardeen, Cooper e Schrieffer nel 1957, spiega che a temperature sufficientemente basse gli elettroni possono accoppiarsi in coppie di Cooper grazie all'intermediazione dei fononi, le vibrazioni del reticolo cristallino. Perchè l'accoppiamento sia efficace, il materiale deve avere un'alta densità di stati elettronici al livello di Fermi e fononi di energia elevata. L'idrogeno metallico, previsto teoricamente da Wigner e Huntington, sarebbe il superconduttore ideale perchè l'atomo leggero vibra a frequenze altissime, ma la metallizzazione dell'idrogeno puro richiede pressioni superiori a 400 gigapascal, irraggiungibili al di fuori dei laboratori più avanzati. L'intuizione vincente è stata quella di “drogare� l'idrogeno con elementi come lantanio, ittrio, calcio o zolfo, formando idruri che imitano le proprietà dell'idrogeno metallico ma a pressioni molto più basse, comprese tra 100 e 200 gigapascal, ottenibili con celle a incudine di diamante. Nel 2019 un gruppo tedesco ha misurato la superconduttività a 250 K in LaH10 a 170 GPa, un risultato che ha infranto la barriera psicologica dei -23°C. La chiave sta nella formazione di gabbie di idrogeno (clatrati) dove gli atomi di H sono impacchettati in modo da creare un reticolo metallico con fononi ad alta energia, mentre l'atomo ospite fornisce elettroni aggiuntivi. Le simulazioni di struttura elettronica con la teoria del funzionale densità (DFT) permettono oggi di prevedere la temperatura critica di nuovi idruri ternari e quaternari, guidando i chimici verso composti ancora più promettenti come il LaBeH8 o il YH6. L'obiettivo dichiarato è scendere sotto i 50 GPa, una pressione che potrebbe essere gestita da apparecchiature industriali per creare fili superconduttori utilizzabili su scala commerciale.

Dalle pressioni estreme alle applicazioni pratiche: cavi, magneti e computer quantistici
Sebbene 250 K siano ancora ben al di sotto della temperatura di una stanza riscaldata, il semplice fatto di poter usare azoto liquido o addirittura un normale congelatore per mantenere la superconduttività rappresenta un salto di paradigma rispetto ai superconduttori a base di niobio che necessitano di elio liquido a 4 K. Le applicazioni più immediate riguardano i magneti per la risonanza magnetica medicale e per i reattori a fusione nucleare, dove bobine superconduttrici più calde ridurrebbero drasticamente i costi criogenici. Nel campo del trasporto elettrico, cavi superconduttori ad alta temperatura potrebbero eliminare le perdite ohmiche che oggi dissipano circa il 6% dell'elettricità generata nel mondo, con un risparmio enorme in termini di emissioni. I limitatori di corrente di guasto basati su superconduttori proteggerebbero le reti elettriche in modo passivo, e i magneti per treni a levitazione magnetica come il Maglev giapponese diventerebbero economicamente sostenibili. La comunità dei computer quantistici guarda agli idruri superconduttori per realizzare qubit che non necessitino di enormi frigoriferi a diluizione, ma la sfida più affascinante è ottenere la superconduttività a pressione ambiente, forse stabilizzando gli idruri con difetti reticolari o con tecniche di epitassia a film sottile. Alcuni esperimenti recenti suggeriscono che drogando l'idruro di lantanio con ammoniaca o altri elementi leggeri si possano intrappolare metastabilmente le fasi superconduttrici anche dopo il rilascio della pressione, un fenomeno simile alla tempra dell'acciaio. Se una di queste strade avrà successo, il Novecento dei semiconduttori cederà il passo a un Ventunesimo secolo della superconduttività, con un impatto su energia, trasporti e calcolo paragonabile a quello dell'invenzione del transistor.

La corsa all'idruro superconduttore a pressione ambiente è una delle più eccitanti avventure scientifiche del nostro tempo, e ogni nuovo record di temperatura critica ci avvicina a un futuro dove l'elettricità fluirà senza sprechi, ridisegnando la civiltà industriale dalle fondamenta.

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