Dentro H3S: Svelata la Chiave della Superconduttività ad Alta Temperatura con l’Effetto Tunnel!

Ragazzi, che viaggio incredibile nel mondo della fisica della materia condensata! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi ha tenuto sveglio la notte (in senso buono, eh!), una scoperta che getta una luce potentissima su uno dei materiali più “caldi” del momento, anche se paradossalmente stiamo parlando di temperature bassissime: il superconduttore H3S, l’idruro di zolfo.

La Corsa all’Oro della Superconduttività

Immaginate un materiale che conduce elettricità senza alcuna resistenza, zero perdite. Fantascienza? No, è la superconduttività! Per decenni, abbiamo cercato materiali che facessero questo “trucco” a temperature sempre più alte, idealmente a temperatura ambiente. E qui entra in gioco H3S. Qualche anno fa, la sua scoperta ha fatto tremare la comunità scientifica: questo composto, formato da idrogeno e zolfo sotto pressioni pazzesche (parliamo di oltre 1.5 milioni di volte la pressione atmosferica!), diventa superconduttore a circa 200 Kelvin (-73 °C). Freddissimo per noi, ma incredibilmente “caldo” per un superconduttore!

Abbiamo visto che H3S è un superconduttore misurando la sua resistenza elettrica, vedendo come espelle i campi magnetici… tutte proprietà “macro”, visibili dall’esterno. Ma la domanda fondamentale rimaneva: come diavolo fa? Qual è il meccanismo microscopico che permette agli elettroni di formare le famose “coppie di Cooper” e viaggiare senza ostacoli? Le teorie puntavano forte sui fononi, le vibrazioni del reticolo atomico, ma mancava una prova sperimentale diretta, una “foto” di cosa succede a livello quantistico.

La Nostra Arma Segreta: la Spettroscopia a Effetto Tunnel

Ed è qui che entriamo in gioco noi, con una tecnica tanto potente quanto difficile da applicare in queste condizioni estreme: la spettroscopia a effetto tunnel. L’idea di base è affascinante: si crea una “giunzione a tunnel”, una barriera isolante sottilissima tra un metallo normale (il nostro elettrodo) e il superconduttore che vogliamo studiare (H3S). Poi, applichiamo una tensione e misuriamo quanti elettroni riescono a “tunnelare” attraverso la barriera a diverse energie.

Questo ci dà una mappa dettagliata degli stati elettronici disponibili nel superconduttore. In particolare, ci permette di “vedere” la famosa gap superconduttiva (Δ): una zona di energie “proibite” che si apre quando il materiale diventa superconduttore, proprio perché gli elettroni si sono accoppiati. La forma, la dimensione e la presenza o meno di stati energetici dentro questa gap ci dicono tantissimo sul tipo di accoppiamento e sul meccanismo alla base.

La Sfida: Costruire una Finestra sull’H3S sotto Pressione

Bello a dirsi, ma farlo dentro una cella a incudine di diamante (DAC), lo strumento che usiamo per generare pressioni mostruose, è un’impresa titanica. Stiamo parlando di campioni minuscoli, più piccoli di un capello, schiacciati tra due diamanti. Abbiamo dovuto sviluppare un metodo per creare la nostra giunzione a tunnel (N/I/S, ovvero Metallo Normale / Isolante / Superconduttore) direttamente lì dentro.

Abbiamo depositato un sottilissimo film di Tantalio (Ta) sulla punta di un diamante, l’abbiamo ossidato per creare la barriera isolante (Ta2O5), e poi abbiamo messo un pezzettino di zolfo. Il tutto è stato chiuso nella cella, riempito di idrogeno gassoso e compresso a oltre 150 GPa. Poi, con un riscaldamento laser *in situ*, abbiamo fatto reagire zolfo e idrogeno per creare H3S proprio a contatto con la nostra barriera. Una delle sfide chiave era ottenere un campione di H3S puro, perché la spettroscopia a tunnel “vede” tutto quello che c’è nell’area di contatto, e altre fasi avrebbero sporcato il segnale. Per assicurarci abbastanza idrogeno, abbiamo persino scavato una micro-cavità su un diamante con un fascio di ioni focalizzato!

Il Momento della Verità: Cosa Abbiamo Visto?

Dopo tanta fatica, finalmente i risultati. Prima di tutto, abbiamo confermato con misure di resistenza che il nostro H3S diventava superconduttore proprio intorno ai 197 K (Tconset) e a resistenza zero a 190 K (Tczero). La diffrazione a raggi X ha confermato la struttura cristallina attesa (`Im-3m`), senza altre fasi strane: campione puro, evvai!

E poi, la spettroscopia a tunnel a bassa temperatura (20 K). Ragazzi, che emozione! Lo spettro (che misura la conduttanza differenziale dI/dV in funzione della tensione V) ha mostrato:

• Due picchi netti e simmetrici rispetto allo zero (i “picchi di coerenza”).
• Una caduta quasi a zero della conduttanza tra questi picchi, formando una chiara struttura a “U”.

Questa è la firma inequivocabile di una gap superconduttiva completa (fully gapped), senza “nodi” (direzioni in cui la gap si chiude). Significa che l’accoppiamento tra elettroni è forte in tutte le direzioni. Abbiamo fittato questi dati con un modello teorico standard (il modello di Dynes per una gap di tipo onda s) e l’accordo era perfetto!

Da questi fit abbiamo estratto il valore della gap: 2Δ ≈ 60 meV (millielettronvolt) per H3S. Abbiamo ripetuto l’esperimento su altri campioni di H3S, ottenendo valori molto simili, confermando una gap di Δ ≈ 30 (±1.5) meV. Abbiamo anche visto come questa gap si chiude gradualmente aumentando la temperatura, seguendo proprio l’andamento previsto dalla teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), la teoria “madre” della superconduttività convenzionale.

Il Test dell’Isotopo: D3S Entra in Scena

Per avere la prova definitiva che fossero proprio i fononi (le vibrazioni atomiche) a mediare l’accoppiamento, abbiamo fatto un altro esperimento cruciale: abbiamo sostituito l’idrogeno normale (H) con il suo isotopo più pesante, il deuterio (D), creando il D3S. Se i fononi sono coinvolti, sostituire H con D (che è più pesante e vibra più lentamente) dovrebbe ridurre sia la temperatura critica (Tc) sia la dimensione della gap superconduttiva.

Ebbene, abbiamo sintetizzato D3S nella nostra cella a diamante, confermato la stessa struttura cristallina, e misurato la sua gap con la spettroscopia a tunnel. Risultato? Stessa forma a “U”, gap completa, ma questa volta 2Δ ≈ 44 meV (Δ ≈ 22 meV). Bingo! La gap è significativamente più piccola, proprio come previsto dall’effetto isotopico. Questa è una prova sperimentale fortissima che la superconduttività in H3S è mediata dai fononi, come nella maggior parte dei superconduttori “convenzionali”, anche se avviene a temperature così alte. Curiosamente, nello spettro di D3S abbiamo anche notato una piccola “gobba” a energie più alte, che potrebbe corrispondere a un segnale di scattering anelastico con un fonone specifico del D3S, un altro indizio a favore del meccanismo fononico.

Una Sorpresa: Il Campione “Sporco” e la Doppia Gap

La scienza raramente è lineare. In un altro esperimento, abbiamo provato a sintetizzare H3S usando una fonte di idrogeno diversa (ammoniaca borano, NH3BH3). Questo campione (H3S-S4) si è rivelato meno omogeneo. La misura di resistenza mostrava due “salti” verso la superconduttività: uno intorno ai 190 K (come H3S) e un altro più piccolo intorno ai 40 K.

E la spettroscopia a tunnel? Ha rivelato una struttura più complessa: oltre ai picchi a ±30 meV dell’H3S, c’era un’altra piccola struttura, una sorta di “spalla”, a energie molto più basse, intorno a ±8 meV, che spariva proprio sopra i 40 K! Questo suggerisce la presenza di una seconda fase superconduttiva (che abbiamo chiamato HxS) con una Tc e una gap più basse, coesistente con l’H3S nel nostro campione. L’analisi ai raggi X ha confermato che il campione era effettivamente multifase. Questo ci ricorda che lavorare con questi idruri ad alta pressione è complicato e che potrebbero esistere diverse fasi superconduttive vicine tra loro.

Cosa Abbiamo Imparato e Dove Andiamo Ora?

Quindi, cosa ci portiamo a casa da questa avventura?

• Abbiamo ottenuto la prima misura diretta della gap superconduttiva di H3S e D3S usando la spettroscopia a effetto tunnel ad alta pressione.
• Abbiamo dimostrato che entrambi hanno una gap completa di tipo onda s.
• L’effetto isotopico osservato tra H3S e D3S conferma robustamente il meccanismo di accoppiamento mediato dai fononi.
• Abbiamo trovato che la dimensione della gap (espressa come rapporto 2Δ/kBTc ≈ 3.54 per H3S) è in linea con la teoria BCS debolmente accoppiata, ma inaspettatamente più piccola di quanto previsto da alcuni calcoli teorici più sofisticati per H3S. Questo apre nuove domande e richiede ulteriori indagini teoriche e sperimentali.
• L’osservazione di una doppia gap in un campione inomogeneo evidenzia la possibile coesistenza di diverse fasi superconduttive negli idruri.

Questo lavoro fornisce una base sperimentale solida per capire la superconduttività ad alta temperatura negli idruri ricchi di idrogeno. La nostra tecnica di spettroscopia a tunnel apre la porta allo studio di altri superidruri metallici, sperando di svelare i segreti per raggiungere Tc ancora più alte, magari un giorno a pressione ambiente. La caccia continua!

Fonte: Springer