I ricercatori dell’Università di Houston hanno raggiunto un importante traguardo nel campo della superconduttività, stabilendo un nuovo record di temperatura per i superconduttori operanti a pressione ambiente. Questo progresso potrebbe contribuire in futuro alla creazione di reti elettriche più efficienti, sistemi di accumulo di energia migliorati, dispositivi elettronici più veloci e nuove tecnologie per l’energia da fusione e la diagnostica per immagini in ambito medico.
Gli scienziati del Texas Center for Superconductivity (TcSUH) e del dipartimento di fisica dell’Università di Houston hanno raggiunto una temperatura di transizione superconduttiva (Tc) di 151 Kelvin (circa -122 gradi Celsius). Si tratta della Tc più alta mai registrata per un superconduttore funzionante a pressione ambiente da quando la superconduttività è stata scoperta per la prima volta nel 1911.
La temperatura di transizione segna il punto in cui un materiale può condurre elettricità con resistenza nulla. Aumentare questa temperatura è stato uno degli obiettivi principali nella ricerca sulla superconduttività, poiché temperature operative più elevate potrebbero rendere le tecnologie superconduttive molto più pratiche ed economiche.
I risultati ottenuti dai fisici Ching-Wu Chu e Liangzi Deng sono stati pubblicati sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences . Il finanziamento per la ricerca è stato fornito da Intellectual Ventures, dallo stato del Texas tramite la TcSUH e da diverse fondazioni.
“Trasmettere l’elettricità nella rete comporta una perdita di circa l’8%”, ha affermato Chu, professore di fisica, direttore fondatore del TcSUH e autore senior dell’articolo. “Se riusciamo a conservare quell’energia, otteniamo miliardi di dollari di risparmio, oltre a un notevole risparmio di tempo e fatica e a una riduzione dell’impatto ambientale.”
Perché i superconduttori sono importanti
I superconduttori sono materiali che permettono all’elettricità di fluire senza resistenza. Poiché non si verifica alcuna dispersione di energia sotto forma di calore, potrebbero migliorare drasticamente l’efficienza dei sistemi elettrici. Gli scienziati considerano inoltre i superconduttori fondamentali per tecnologie come la risonanza magnetica (MRI), i reattori a fusione, le tecnologie quantistiche e l’elettronica ultraveloce.
La difficoltà sta nel fatto che la maggior parte dei superconduttori funziona solo a temperature estremamente basse, il che richiede costosi sistemi di raffreddamento che ne limitano la diffusione.
“Una volta che il materiale viene portato a pressione ambiente, diventa molto più accessibile per gli scienziati utilizzare strumentazione ben sviluppata per studiarlo e sviluppare ulteriormente tecnologie per operazioni in condizioni ambientali”, ha affermato Deng, professore associato di fisica, ricercatore principale presso il TcSUH e autore principale dell’articolo.
Nuovo record che infrange una barriera vecchia di decenni
I ricercatori hanno trascorso decenni alla ricerca di materiali superconduttori con temperature di transizione sempre più elevate.
Una tappa fondamentale si ebbe nel 1987, quando Chu e i suoi collaboratori scoprirono che un materiale noto come YBCO poteva diventare superconduttore a -180 gradi Celsius, ovvero 93 K. Questa scoperta diede il via a una corsa globale per lo sviluppo di superconduttori ad alta temperatura.
Nel 1993, gli scienziati scoprirono una ceramica a base di ossido di rame e mercurio chiamata Hg1223, che raggiungeva la superconduttività a -140 gradi Celsius, ovvero 133 K. Questo materiale ha detenuto il record di superconduttività a pressione ambiente per oltre 30 anni.
Il nuovo risultato ottenuto dall’Università di Houston innalza il record di 18 gradi Celsius, raggiungendo quota 151 K.
Il raffreddamento rapido sotto pressione crea una superconduttività stabile
La svolta si è basata su un processo noto come tempra a pressione. Sebbene le tecniche di pressione siano comunemente utilizzate in altri campi, tra cui la produzione di diamanti, il metodo è relativamente nuovo nella ricerca sulla superconduttività.
I ricercatori hanno innanzitutto sottoposto il materiale a una pressione estremamente elevata, il che ne ha potenziato il comportamento superconduttore e ne ha aumentato la temperatura di transizione. Mantenendo la pressione, il materiale è stato raffreddato a una temperatura accuratamente selezionata prima che la pressione venisse improvvisamente rimossa.
Quel rilascio rapido ha preservato efficacemente le proprietà superconduttive potenziate, consentendo al materiale di rimanere stabile anche dopo il ritorno alle normali condizioni di pressione.
“Altri ricercatori hanno dimostrato che è possibile raggiungere la superconduttività a temperatura ambiente sotto pressione”, ha affermato Chu. “Il nostro metodo dimostra che è possibile mantenere tale stato senza dover mantenere la pressione.”
Un passo verso i superconduttori a temperatura ambiente
Sebbene la superconduttività a temperatura ambiente e pressione atmosferica rimanga irraggiungibile, i ricercatori affermano che il nuovo record rappresenta un importante passo avanti verso tale obiettivo. La temperatura ambiente è di circa 300 K, il che lascia un divario di circa 140 °C rispetto al record appena raggiunto.
“Questa scoperta ha un grande potenziale”, ha affermato Chu. “Crediamo che, con un numero sufficiente di persone impegnate e con il tempo necessario, saremo in grado di realizzarlo appieno.”
Chu e Deng hanno anche contribuito a un articolo di approfondimento correlato, finanziato da Intellectual Ventures e pubblicato su PNAS. L’articolo discute sei diversi approcci che i ricercatori potrebbero utilizzare per aumentare ulteriormente le temperature superconduttive, tra cui il quenching a pressione.
“La superconduttività a temperatura ambiente è stata considerata dagli scienziati un ‘Santo Graal’ per oltre un secolo”, ha affermato Rohit Prasankumar, direttore della ricerca sulla superconduttività presso Intellectual Ventures. “Il risultato del team dell’Università delle Hawaii dimostra che questo obiettivo è più vicino che mai. Tuttavia, la distanza tra il nuovo record stabilito in questo studio e la temperatura ambiente è ancora di circa 140 gradi Celsius. Colmare questo divario richiederà sforzi concertati e mirati da parte dell’intera comunità scientifica, inclusi scienziati dei materiali, chimici e ingegneri, oltre ai fisici.”
Abstract
La superconduttività a temperatura ambiente è probabilmente la sfida più grande nella fisica della materia condensata, con significative implicazioni pratiche e commerciali qualora si riuscisse a risolverla. Non esistono leggi fisiche che ne impediscano il verificarsi; anzi, la superconduttività è stata osservata in così tanti materiali diversi e in così tante condizioni diverse da essere quasi una proprietà “generica” dei metalli non magnetici. Questo ci porta a pensare che la superconduttività ad alta temperatura sia possibile, sebbene difficile da realizzare. In questo articolo, presentiamo due grandi sfide che il settore si trova ad affrontare, denominate la Sfida della Previsione e la Sfida Ingegneristica, e proponiamo un approccio programmatico per superarle. La Sfida della Previsione riguarda il fatto che la nostra capacità di prevedere nuovi superconduttori convenzionali è progredita drasticamente negli ultimi anni, ma la maggior parte dei materiali previsti non è sintetizzabile sperimentalmente. Per affrontare questa sfida, proponiamo un passaggio dalla modellizzazione della temperatura critica di superconduzione e della stabilità dinamica verso la modellizzazione termodinamica/di sintesi ab initio ad alto rendimento e predittiva. La sfida ingegneristica descrive come possiamo controllare la superconduttività tramite vari “controlli”, tra cui pressione, nanostrutturazione e luce. Tuttavia, la nostra capacità di prevedere come un singolo controllo modificherà un dato superconduttore è limitata, il che rende difficile sfruttarli appieno. Descriviamo lo stato attuale e identifichiamo le aree in cui è necessario ulteriore lavoro per sfruttare appieno sei dei controlli più comuni. I progressi in entrambe queste grandi sfide, integrando strettamente teoria ed esperimento in un ciclo di feedback continuo e incorporando conoscenze provenienti da campi diversi dalla fisica e dalla scienza dei materiali, potrebbero svelare le chiavi fondamentali per la superconduttività a temperatura ambiente.
Materials provided by University of Houston. Note: Content may be edited for style and length.
Rohit P. Prasankumar, Matthew Julian, Michael Hutcheon, Christoph Heil, Liangzi Deng, Dmitri Basov, Ching-Wu Chu, Riccardo Comin, Philip Kim, Bryce Meredig, Chris Pickard, Warren E. Pickett, Timothy Strobel, Stuart Wolf, Eva Zurek, Nathan Myhrvold. The path to room-temperature superconductivity: A programmatic approach. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026; 123 (11) DOI: 10.1073/pnas.2520324123
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