I superconduttori potrebbero un giorno contribuire ad alimentare una nuova generazione di dispositivi elettronici ultra-efficienti, ma importanti ostacoli tecnici hanno finora confinato questa tecnologia principalmente ai laboratori di ricerca. Ora, gli scienziati dell’Università di Tecnologia di Chalmers, in Svezia, hanno sviluppato un nuovo approccio che affronta una delle maggiori sfide del settore: mantenere la superconduttività a temperature elevate resistendo al contempo a forti campi magnetici.
Questo progresso potrebbe contribuire a rendere le tecnologie superconduttive più vicine all’utilizzo pratico in elettronica, sistemi energetici e dispositivi quantistici.
I moderni dispositivi digitali, i data center e le reti di tecnologie dell’informazione e della comunicazione (TIC) sono responsabili di una percentuale stimata tra il 6 e il 12% del consumo globale di elettricità. Con l’aumento costante della domanda di energia, i ricercatori sono alla ricerca di soluzioni per rendere i dispositivi elettronici molto più efficienti.
I superconduttori sono particolarmente interessanti perché possono trasportare corrente elettrica senza perdite di energia. A differenza dei sistemi elettronici convenzionali, che disperdono energia sotto forma di calore, i superconduttori possono trasmettere elettricità senza resistenza. In teoria, ciò potrebbe rendere le reti elettriche, l’elettronica e le tecnologie quantistiche centinaia di volte più efficienti.
Perché i superconduttori sono difficili da usare
Nonostante le loro promettenti potenzialità, i superconduttori si trovano ad affrontare diversi ostacoli che ne limitano le applicazioni nel mondo reale.
Una delle sfide è la temperatura. Molti superconduttori funzionano solo a temperature estremamente basse, spesso intorno ai -200 gradi Celsius. Raggiungere e mantenere tali temperature richiede sistemi di raffreddamento complessi e ad alto consumo energetico.
I campi magnetici rappresentano un altro problema importante. Campi magnetici intensi possono indebolire o addirittura eliminare la superconduttività. Ciò è particolarmente rilevante perché molti sistemi elettronici avanzati e tecnologie quantistiche generano campi magnetici o si basano su di essi.
Per poter essere utilizzati su larga scala, i materiali superconduttori devono essere in grado di funzionare a temperature più elevate (idealmente prossime alla temperatura ambiente) rimanendo stabili in ambienti con forti campi magnetici.
Una strategia diversa per una superconduttività più potente
I ricercatori hanno trascorso anni cercando di migliorare i superconduttori modificandone la composizione chimica, ma i progressi sono stati limitati. Il team di Chalmers ha deciso di adottare un approccio diverso.
“Modellando la superficie su cui poggia il superconduttore, siamo riusciti a indurre la superconduttività a temperature significativamente più elevate rispetto a quanto fosse possibile in precedenza. Abbiamo anche scoperto che il materiale rimane superconduttore anche se esposto a forti campi magnetici”, spiega Floriana Lombardi, professoressa di fisica dei dispositivi quantistici al Chalmers e autrice principale di uno studio pubblicato su Nature Communications .
Come un piccolo cambiamento superficiale ha fatto una grande differenza
I ricercatori hanno lavorato con un materiale a base di ossido di rame appartenente alla famiglia dei cuprati. I cuprati sono già noti per la loro superconduttività a temperature relativamente elevate, ma la loro struttura chimica è difficile da modificare una volta che sono stati prodotti.
Lo strato superconduttore utilizzato nello studio aveva uno spessore di pochi nanometri, meno di un milionesimo dello spessore di un capello umano. Materiali così sottili devono essere cresciuti su una base di supporto chiamata substrato, che funge da stampo durante la fabbricazione.
La svolta è arrivata apportando modifiche su scala nanometrica al substrato stesso.
“Poiché gli atomi nel substrato sono disposti secondo uno schema specifico, possono ‘guidare’ la disposizione degli atomi nello strato superconduttore. Modificando il design della superficie del substrato, siamo stati in grado di influenzare le proprietà superconduttive e di garantirne la conservazione, anche a temperature più elevate e in presenza di campi magnetici intensi”, spiega Eric Wahlberg, ricercatore presso gli Istituti di Ricerca RISE in Svezia.
Prima di applicare la pellicola superconduttrice, il team ha trattato il substrato sottovuoto ad alta temperatura. Questo processo ha creato un disegno ordinato di minuscole creste e valli sulla superficie.
Queste caratteristiche microscopiche hanno alterato l’ambiente elettronico nel punto di incontro tra il substrato e lo strato superconduttore, creando condizioni che hanno favorito una superconduttività più intensa.
“Abbiamo potuto osservare come le proprietà degli elettroni iniziassero ad avere una direzione preferenziale in questa regione interfacciale e a comportarsi in modo da stabilizzare e rafforzare lo stato superconduttore”, afferma Lombardi.
Un nuovo principio di progettazione per i superconduttori del futuro
Questi risultati introducono un nuovo modo di pensare ai materiali superconduttori. Invece di concentrarsi esclusivamente sulla scoperta di nuovi materiali o sulla modifica della loro composizione chimica, i ricercatori potrebbero essere in grado di migliorarne le prestazioni progettando con cura le superfici su cui tali materiali vengono cresciuti.
“Invece di cercare materiali completamente nuovi o di manipolare le proprietà chimiche di quelli esistenti, stiamo dimostrando come la superconduttività possa essere migliorata modellando il substrato”, afferma Lombardi.
I ricercatori ritengono che questa strategia potrebbe in futuro consentire ai superconduttori di funzionare a temperature molto più elevate, potenzialmente anche prossime alla temperatura ambiente.
Il lavoro indica inoltre possibili applicazioni future nell’elettronica a basso consumo energetico, nei componenti quantistici avanzati e nelle tecnologie che devono funzionare in campi magnetici intensi.
“Questo dimostra che cambiamenti anche minimi su scala nanometrica possono avere effetti decisivi e potrebbero persino sbloccare tutto il potenziale della superconduttività nell’elettronica del futuro”, afferma Lombardi.
Dettagli dello studio
“Aumento della superconduttività in film ultrasottili di tramite YBa₂Cu₃O₇⁻δ Lo studio, intitolato substrati nanofaccettati “, è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications .
Gli autori sono Eric Wahlberg, Riccardo Arpaia, Debmalya Chakraborty, Alexei Kalaboukhov, David Vignolles, Cyril Proust, Annica M. Black-Schaffer, Thilo Bauch, Götz Seibold e Floriana Lombardi.
I ricercatori coinvolti nel progetto sono affiliati alla Chalmers University of Technology, ai RISE Research Institutes of Sweden, all’Università Ca’ Foscari di Venezia, all’Istituto di Tecnologia e Scienza Birla – Pilani, al KK Birla Goa Campus in India, all’Indian Institute of Science Education and Research (IISER), all’Università di Uppsala, in Svezia, all’Université Grenoble Alpes, all’Université de Toulouse, all’INSA-T, in Francia, e all’Institut für Physik, BTU Cottbus-Senftenberg, in Germania.
Parte della ricerca è stata condotta presso Myfab Chalmers, una struttura dotata di camera bianca.
Il finanziamento è stato fornito dal Consiglio svedese per la ricerca (VR), dalla Fondazione Knut e Alice Wallenberg, dall’Unione europea tramite una borsa di studio EIC Pathfinder e dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft.
Abstract
Nei superconduttori ad alta temperatura a base di cuprati, il livello di drogaggio è fisso durante la sintesi, pertanto la densità dei portatori di carica per piano di CuO₂ non può essere facilmente regolata tramite gating convenzionale, a differenza di quanto avviene nei materiali 2D. L’ingegneria delle deformazioni si è recentemente affermata come un potente strumento di regolazione per manipolare le proprietà dei cuprati, in particolare gli ordini di carica e di spin, e la loro delicata interazione con la superconduttività. Nei film sottili, un’ulteriore possibilità di regolazione può essere introdotta dalla morfologia della superficie del substrato, in particolare dalle nanofacce formate dalla ricostruzione della superficie del substrato. Qui mostriamo un notevole aumento della temperatura di inizio della superconduttività. e il campo magnetico critico superiore H c ,2 sottili come nanometri in film di YBa 2 Cu 3 O 7− δ cresciuti su un substrato con una superficie nanosfaccettata. Mostriamo teoricamente che l’incremento è guidato dalla nematicità elettronica e dalle onde di densità di carica unidirezionali, dove entrambi gli elementi sono catturati da un potenziale efficace aggiuntivo all’interfaccia tra il film e il substrato dalla struttura unica. I nostri risultati mostrano un nuovo paradigma in cui l’ingegneria del substrato può migliorare efficacemente le proprietà superconduttive dei cuprati. Questo approccio apre una frontiera entusiasmante nella progettazione e nell’ottimizzazione di materiali superconduttori ad alte prestazioni.
Materiale fornito dalla Chalmers University of Technology . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Eric Wahlberg, Riccardo Arpaia, Debmalya Chakraborty, Alexei Kalaboukhov, David Vignolles, Cyril Proust, Annica M. Black-Schaffer, Thilo Bauch, Götz Seibold, Floriana Lombardi. Boosting superconductivity in ultrathin YBa2Cu3O7−δ films via nanofaceted substrates. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-67500-2
by 