La ricerca di materiali in grado di trasportare l'energia elettrica senza dispersioni rappresenta da decenni una delle sfide più affascinanti della fisica moderna. Oggi un gruppo di scienziati della Penn State University ha messo a punto un metodo computazionale innovativo che potrebbe accelerare la scoperta di superconduttori capaci di funzionare a temperature molto più elevate rispetto a quelle attualmente necessarie. L'approccio, basato su una nuova teoria chiamata zentropy theory, promette di identificare materiali che potrebbero rivoluzionare i sistemi energetici globali eliminando le perdite di energia durante la trasmissione elettrica.
Il problema fondamentale dei superconduttori esistenti risiede nelle condizioni estreme richieste per il loro funzionamento. Questi materiali straordinari, pur essendo in grado di condurre elettricità con resistenza zero, manifestano questa proprietà solo a temperature incredibilmente basse, ben al di sotto di quelle utilizzabili nelle applicazioni pratiche quotidiane. La ricerca finanziata dal programma "Theory of Condensed Matter" del Dipartimento dell'Energia statunitense punta proprio a superare questa limitazione fondamentale.
Zi-Kui Liu, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State e autore principale dello studio pubblicato su Superconductor Science and Technology, ha spiegato che l'obiettivo primario è sempre stato quello di innalzare la temperatura alla quale la superconduttività persiste. Tuttavia, per raggiungere questo traguardo è necessario prima comprendere esattamente i meccanismi attraverso i quali questo fenomeno si manifesta, ed è proprio in questo ambito che il nuovo lavoro fornisce un contributo decisivo.
La teoria classica che descrive il comportamento dei superconduttori convenzionali, nota come teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), spiega come gli elettroni riescano a muoversi senza resistenza grazie alle interazioni con le vibrazioni del reticolo atomico, chiamate fononi. Queste interazioni permettono agli elettroni di accoppiarsi formando le cosiddette coppie di Cooper, che si spostano in modo sincronizzato attraverso il materiale evitando collisioni atomiche e la conseguente dispersione di energia sotto forma di calore.
Liu ha utilizzato un'analogia efficace per rendere comprensibile il concetto: se esistono troppe strade, gli elettroni urtano contro gli ostacoli e perdono energia, ma se si crea per loro un tunnel retto, simile all'Autobahn tedesca, possono viaggiare velocemente e liberamente senza alcuna resistenza. Questa capacità di trasmettere energia senza dispersioni è ciò che rende i superconduttori così promettenti per il futuro dei sistemi energetici.
Il progetto sostenuto dal Dipartimento dell'Energia utilizza strumenti computazionali basati sulla teoria del funzionale di densità (DFT), che aiuta a modellare il comportamento degli elettroni nei conduttori ordinari rispetto ai superconduttori. Fino a poco tempo fa, la teoria BCS e la DFT erano considerate approcci separati: la prima descrive l'accoppiamento degli elettroni, mentre la seconda si fonda sui principi della meccanica quantistica. Il gruppo di Liu ha trovato un modo per collegare questi due framework teorici, aprendo una nuova strada per prevedere la superconduttività.
Il cuore dell'innovazione risiede nella zentropy theory, un approccio che fonde principi della meccanica statistica con la fisica quantistica e la modellazione computazionale moderna. Questa teoria collega la struttura elettronica di un materiale al modo in cui le sue proprietà cambiano con la temperatura, rivelando quando avviene la transizione da uno stato superconduttore a uno non superconduttore. Per applicare la teoria, gli scienziati devono comprendere come si comporta un materiale allo zero assoluto (zero Kelvin), la temperatura più fredda possibile, dove cessa ogni movimento atomico.
La teoria BCS classica funziona efficacemente per i superconduttori che operano solo a temperature molto basse, ma fallisce quando si tratta di varietà ad alta temperatura, dove le coppie di Cooper si separano più facilmente. Attraverso la modellazione DFT, il gruppo di Liu ha scoperto che nei superconduttori ad alta temperatura l'autostrada elettronica rimane stabile grazie a una struttura atomica unica, paragonabile a un ponte galleggiante che si flette con le onde, permettendo agli elettroni di muoversi agevolmente anche quando le vibrazioni termiche aumentano.
Utilizzando questo approccio combinato, il team è riuscito a prevedere con successo il comportamento superconduttivo sia nei materiali convenzionali che in quelli ad alta temperatura, incluso uno che la teoria tradizionale non riusciva a spiegare. I ricercatori hanno inoltre previsto una potenziale superconduttività in rame, argento e oro, metalli normalmente non considerati superconduttori, probabilmente perché richiederebbero temperature estremamente basse affinché l'effetto si manifesti.
I prossimi passi della ricerca prevedono due direzioni principali. In primo luogo, il team utilizzerà la zentropy theory per prevedere come la pressione influenzi la temperatura alla quale i superconduttori perdono la loro resistenza. In secondo luogo, gli scienziati esamineranno un database massiccio contenente cinque milioni di materiali per identificare nuovi candidati che potrebbero esibire superconduttività. L'obiettivo finale è individuare i materiali più promettenti e collaborare con ricercatori sperimentali per testarli in laboratorio.
Come sottolineato da Liu, l'ambizione del progetto va oltre la semplice spiegazione di ciò che è già noto. Si tratta piuttosto di costruire un framework per scoprire qualcosa di completamente nuovo. Se questo approccio avrà successo, potrebbe portare alla scoperta di superconduttori ad alta temperatura funzionanti in condizioni pratiche, potenzialmente anche a temperatura ambiente qualora esistano. Una svolta di questo tipo avrebbe un impatto enorme sulle moderne tecnologie e sui sistemi energetici, permettendo all'elettricità di viaggiare più lontano, più velocemente e in modo più efficiente, trasformando radicalmente le reti elettriche globali.