Nella fisica della materia condensata, la ricerca di superconduttori che operino a temperature sempre più elevate rappresenta una delle frontiere più promettenti per lo sviluppo tecnologico del XXI secolo. Materiali capaci di condurre corrente elettrica senza alcuna resistenza aprirebbero scenari rivoluzionari nella trasmissione di energia, nei computer quantistici e nei sistemi di levitazione magnetica. Dopo decenni di progressi limitati, l'attenzione della comunità scientifica si è concentrata sui composti ricchi di idrogeno sottoposti a pressioni estreme, che hanno dimostrato proprietà superconduttive a temperature sorprendentemente elevate. Tuttavia, un tassello fondamentale per comprendere il meccanismo alla base di questo fenomeno è rimasto a lungo inaccessibile: la misurazione diretta del gap superconduttivo, quella caratteristica quantistica che definisce l'identità stessa di un superconduttore.
Il gap superconduttivo è molto più di un parametro tecnico: rappresenta la firma energetica che distingue uno stato superconduttivo da un metallo ordinario. Questo intervallo di energia misura la differenza tra lo stato fondamentale dei cosiddetti "coppie di Cooper" – gli elettroni appaiati che si muovono in modo coordinato senza dissipare energia – e gli stati elettronici normali. La sua dimensione e simmetria rivelano come gli elettroni interagiscono all'interno del materiale e quale meccanismo fisico consente l'azzeramento della resistenza elettrica. Senza questa informazione cruciale, qualsiasi teoria sulla superconduttività ad alta temperatura rimane incompleta e priva di validazione sperimentale diretta.
Per i composti idruro come il solfuro di idrogeno (H3S), questo gap era rimasto finora un mistero inaccessibile. La ragione risiede nelle condizioni estreme necessarie per creare questi materiali: pressioni superiori a un milione di volte quella atmosferica, nell'ordine dei megabar. Tali condizioni rendono impossibile l'applicazione delle tecniche tradizionali di indagine elettronica, come la spettroscopia a effetto tunnel a scansione o la fotoemissione risolta in angolo, che richiedono superfici accessibili e ambienti relativamente controllabili. Questo limite sperimentale ha rappresentato per anni un ostacolo insormontabile nella comprensione profonda della superconduttività degli idruri.
La svolta è arrivata dal Max Planck Institute for Chemistry di Mainz, in Germania, dove un gruppo di ricercatori guidato dal dottor Feng Du ha sviluppato una tecnica innovativa di spettroscopia planare a effetto tunnel capace di operare in condizioni di pressione estrema. Questo approccio sperimentale, descritto in uno studio pubblicato di recente, ha finalmente permesso di misurare direttamente il gap superconduttivo nell'H3S, superando una barriera tecnologica che sembrava invalicabile. La metodologia rappresenta un avanzamento tecnico significativo nel campo della fisica ad alta pressione e apre prospettive inedite per l'indagine di altri materiali superconduttori sintetizzati in condizioni analoghe.
I risultati ottenuti sono estremamente chiari: l'H3S presenta un gap superconduttivo completamente aperto di circa 60 millielectronvolt (meV). Il team ha inoltre studiato il suo equivalente deuterato, il D3S, che ha mostrato un gap leggermente inferiore, pari a 44 meV. Questa differenza non è casuale: il deuterio è un isotopo dell'idrogeno con un neutrone aggiuntivo nel nucleo, e la variazione del gap osservata è coerente con un meccanismo di superconduttività mediato dall'interazione tra elettroni e fononi, ossia le vibrazioni quantizzate del reticolo cristallino. Più precisamente, la massa maggiore del deuterio influenza la frequenza dei fononi, modificando di conseguenza l'intensità dell'accoppiamento elettrone-fonone e quindi la dimensione del gap superconduttivo.
Questi dati forniscono una conferma sperimentale diretta delle teorie che da anni suggerivano come la superconduttività negli idruri ricchi di idrogeno fosse governata da un meccanismo convenzionale di tipo BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), potenziato dalle alte frequenze vibrazionali dei legami idrogeno-zolfo. La misura del gap rappresenta dunque la "pistola fumante" che collega i modelli teorici alla realtà fisica di questi materiali, eliminando dubbi e ipotesi alternative che avevano alimentato il dibattito scientifico dopo la scoperta della superconduttività in H3S nel 2015.
Il contesto storico di questa scoperta è significativo. La superconduttività fu osservata per la prima volta nel mercurio puro nel 1911 da Heike Kamerlingh Onnes, a temperature prossime allo zero assoluto (-273 °C). Per oltre settant'anni, questo fenomeno sembrò confinato a temperature criogeniche, fino alla scoperta dei cuprati – superconduttori a base di ossidi di rame – da parte di Georg Bednorz e Karl Alexander Müller alla fine degli anni Ottanta, che portò a temperature critiche di circa 133 Kelvin a pressione ambiente. Tuttavia, ulteriori progressi si sono arenati fino all'ingresso in scena degli idruri ricchi di idrogeno.
La svolta è avvenuta proprio con l'H3S, il cui comportamento superconduttivo a 203 Kelvin (-70°C) sotto pressioni di megabar è stato scoperto dal gruppo di ricerca guidato dal dottor Mikhail Eremets. Successivamente, altri composti come il decaidridrato di lantanio (LaH10) hanno raggiunto temperature critiche ancora più elevate, arrivando a 250 Kelvin (-23°C). Questi valori superano il punto di ebollizione dell'azoto liquido e si avvicinano progressivamente alla temperatura ambiente, il Santo Graal della superconduttività. I modelli teorici attuali suggeriscono che alcuni sistemi dominati dall'idrogeno potrebbero raggiungere la superconduttività anche sopra i 273 Kelvin, aprendo scenari applicativi finora considerati futuristici.
Il dottor Feng Du, primo autore dello studio, ha sottolineato l'importanza di estendere questa tecnica ad altri superconduttori idruro: "Speriamo che identificando i fattori chiave che consentono la superconduttività a temperature ancora più elevate, si possa guidare lo sviluppo di nuovi materiali che operino in condizioni più pratiche". Questa osservazione è cruciale: sebbene le pressioni di megabar siano attualmente raggiungibili solo in laboratori specializzati con celle a incudine di diamante, comprendere i meccanismi fondamentali potrebbe orientare la ricerca verso composti che mantengano proprietà simili a pressioni più accessibili o addirittura a pressione ambiente.
Il compianto dottor Mikhail Eremets, figura di spicco nella ricerca sulla superconduttività ad alta pressione scomparso nel novembre 2024, aveva definito questo studio come "il lavoro più importante nel campo della superconduttività degli idruri dalla scoperta della superconduttività in H3S nel 2015". Vasily Minkov, leader del progetto di Chimica e Fisica ad Alta Pressione presso il Max Planck Institute, ha aggiunto che la visione di Eremets di superconduttori operanti a temperatura ambiente e pressioni moderate si avvicina alla realtà grazie a questo lavoro, rendendo omaggio al contributo scientifico di un ricercatore che ha dedicato la carriera a questa sfida.
Dal punto di vista teorico, la formazione del gap superconduttivo è legata alla creazione delle coppie di Cooper. Nei metalli normali, gli elettroni vicini al livello di Fermi – il livello energetico più alto occupato a zero assoluto – si muovono indipendentemente. Quando un materiale diventa superconduttore, gli elettroni si accoppiano attraverso l'interazione mediata dai fononi e formano uno stato quantistico collettivo. In questo stato, le coppie di elettroni si muovono in modo coordinato senza disperdersi contro i fononi o le impurità del reticolo cristallino, eliminando completamente la resistenza elettrica. Il gap rappresenta l'energia minima necessaria per rompere una coppia di Cooper, agendo come una barriera protettiva che stabilizza lo stato superconduttivo contro perturbazioni termiche o magnetiche.
Le prospettive future di questa linea di ricerca sono molteplici. La tecnica di spettroscopia planare a effetto tunnel potrà essere applicata ad altri idruri superconduttori recentemente scoperti, come l'YH9 o composti ternari più complessi, permettendo di confrontare sistematicamente i gap superconduttivi e di identificare correlazioni tra struttura cristallina, dinamica dei fononi e temperatura critica. Inoltre, la validazione del meccanismo mediato da fononi in H3S fornisce una base solida per il design computazionale di nuovi materiali, guidando la ricerca verso composizioni chimiche che massimizzino l'accoppiamento elettrone-fonone. Resta aperta la questione fondamentale se sia possibile stabilizzare questi stati superconduttivi a pressioni significativamente inferiori, una condizione essenziale per qualsiasi applicazione pratica al di fuori dei laboratori di ricerca.
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