Superconduttività a Megabar: La Sorpresa degli Idruri di Zirconio e Azoto!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di un’avventura scientifica davvero affascinante, una di quelle che ti fanno battere il cuore: la ricerca di nuovi materiali superconduttori, specialmente quelli che potrebbero funzionare a temperature un po’ meno… glaciali! Sapete, la superconduttività – la capacità di un materiale di condurre elettricità senza alcuna resistenza – è una specie di Sacro Graal della fisica della materia condensata. Immaginate le possibilità: treni a levitazione magnetica super efficienti, reti elettriche senza perdite, computer quantistici potentissimi… il sogno!

La Caccia al Superconduttore Perfetto

Negli ultimi anni, gli idruri – composti contenenti idrogeno – sono balzati agli onori della cronaca scientifica. Alcuni di loro, come H₃S o LaH₁₀, hanno mostrato capacità superconduttive a temperature incredibilmente alte (oltre i 200 K, cioè “solo” -70°C o addirittura vicine alla temperatura ambiente!), ma c’è un “ma” grande come una casa: richiedono pressioni mostruose, milioni di volte la pressione atmosferica. È come mettere un elefante sulla punta di uno spillo, per intenderci.

La sfida, quindi, è duplice: trovare materiali con temperature critiche (T_c, la temperatura sotto la quale diventano superconduttori) sempre più alte, ma a pressioni più “umane”. Ed è qui che entrano in gioco gli idruri ternari, composti da tre elementi diversi. L’idea è che aggiungendo un terzo elemento a un idruro binario già noto, si possa “giocare” con la sua struttura e le sue proprietà elettroniche per abbassare la pressione necessaria o, perché no, aumentare ancora la T_c.

Abbiamo visto progressi notevoli con sistemi metallo-metallo-idrogeno, come leghe di Lantanio e Ittrio idrogenate. Ma un’altra frontiera intrigante è quella dei sistemi metallo-non metallo-idrogeno. Recentemente, l’attenzione si è concentrata su composti contenenti azoto, come il sistema Lu-N-H, anche se i risultati iniziali sulla superconduttività a pressione ambiente si sono rivelati controversi. Tuttavia, l’idea che l’azoto e l’idrogeno insieme possano dare vita a proprietà fisiche insolite sotto pressione rimane valida e merita di essere esplorata.

Teoria e Pratica: Due Fasi Promettenti nel Sistema Zr-N-H

Ed è qui che entra in scena il nostro protagonista: il sistema Zirconio-Azoto-Idrogeno (Zr-N-H). Perché proprio questo? Beh, i nitruri di metalli di transizione come il nitruro di zirconio (ZrN) sono già noti per le loro proprietà interessanti, inclusa una certa superconduttività (anche se a temperature molto basse). Ci siamo chiesti: cosa succede se “infiliamo” dell’idrogeno nel reticolo di ZrN sotto alta pressione?

Per scoprirlo, abbiamo usato potenti strumenti di calcolo teorico, in particolare un algoritmo chiamato “ottimizzazione a sciame di particelle” (PSO), per cercare le strutture cristalline più stabili di ZrNH_x (con x=1, 2, 3, 4) a pressioni comprese tra 100 e 150 GPa (cioè 1-1.5 milioni di atmosfere – siamo ancora nel regno delle pressioni estreme, i cosiddetti “megabar”).

E i risultati teorici sono stati promettenti! Abbiamo identificato due fasi particolarmente stabili:

• Una fase chiamata P6₃/mmc-ZrNH₂
• Un’altra fase chiamata F43m-ZrNH

La cosa interessante è come l’idrogeno si sistema in queste strutture. In ZrNH₂, gli atomi di idrogeno formano delle quasi-molecole H₂. In ZrNH, invece, l’idrogeno si presenta più come atomi singoli, legati allo zirconio. Questa differenza, secondo i nostri calcoli basati sulla teoria dell’accoppiamento elettrone-fonone (EPC), ha un impatto diretto sulla superconduttività.

Le previsioni teoriche indicavano una T_c relativamente modesta, tra 15 e 17 K, per la fase ZrNH₂ (quella con le quasi-molecole H₂). Per la fase ZrNH (con idrogeno atomico), invece, la previsione era decisamente più alta: tra 36 e 40 K a pressioni megabar! Questo è significativamente più alto dei circa 4-5 K previsti (e poi misurati) per il semplice ZrN alla stessa pressione. Sembrava proprio che la forma in cui si presenta l’idrogeno facesse una bella differenza!

L’Esperimento: Sotto Pressione Estrema

Avere delle previsioni teoriche è fantastico, ma la fisica è una scienza sperimentale. Bisognava verificare se queste fasi esistessero davvero e se fossero superconduttrici come previsto. E qui inizia la parte “sporca” del lavoro, quella fatta di celle a incudine di diamante (DAC), laser potentissimi e misure elettriche delicatissime.

Abbiamo preso del nitruro di zirconio (ZrN) in polvere, lo abbiamo caricato in una minuscola camera all’interno di una DAC insieme a una fonte di idrogeno (ammoniaca borano, NH₃BH₃, che rilascia idrogeno quando scaldata). Poi, abbiamo stretto le incudini di diamante per raggiungere pressioni superiori ai 100 GPa e abbiamo “sparato” un laser sul campione per scaldarlo a circa 1600 K, forzando la reazione tra ZrN e l’idrogeno rilasciato.

Il passo successivo è stato misurare la resistenza elettrica del campione al variare della temperatura, raffreddandolo fino a temperature criogeniche. Questo è il test chiave per la superconduttività: se la resistenza crolla improvvisamente a zero sotto una certa temperatura (la T_c), allora ci siamo!

Risultati Elettrizzanti (in tutti i sensi!)

E i risultati sperimentali sono stati davvero emozionanti, confermando in modo sorprendente le nostre previsioni teoriche. Ecco cosa abbiamo osservato:

1. ZrN da solo: Come controllo, abbiamo misurato ZrN senza idrogeno. A pressioni tra 104 e 145 GPa, abbiamo visto una transizione superconduttiva a circa 5 K. Questo era in linea con le nostre previsioni teoriche (circa 4 K) e confermava che ZrN da solo non è un superconduttore “ad alta” temperatura.

2. Primo Riscaldamento Laser (Zr-N-H): Dopo il primo ciclo di riscaldamento laser a circa 100 GPa, abbiamo misurato la resistenza del campione Zr-N-H. Bingo! La T_c era salita a circa 13 K a 100 GPa, aumentando gradualmente fino a circa 15 K a 151 GPa. Questo valore era nettamente diverso da quello di ZrN e corrispondeva perfettamente alla T_c prevista per la fase P6₃/mmc-ZrNH₂! Sembrava proprio che avessimo sintetizzato la prima delle nostre fasi previste.

3. Riscaldamenti Successivi: Non contenti, abbiamo effettuato un secondo e poi un terzo ciclo di riscaldamento laser a pressioni ancora più alte (intorno ai 150 GPa), ma questa volta più lunghi e intensi, per assicurarci che la reazione fosse completa. Dopo il secondo riscaldamento, abbiamo notato un cambiamento: la resistenza iniziava a scendere intorno ai 33 K, ma non raggiungeva lo zero. Era un indizio, ma non una prova definitiva. Ma dopo il terzo riscaldamento (nonostante un piccolo incidente che ha crepato un diamante e fatto scendere leggermente la pressione a 142 GPa), la misura è stata inequivocabile: la resistenza crollava bruscamente fino a zero a una temperatura di circa 38-39 K! Questa T_c, misurata a 142 GPa, era significativamente più alta di quella osservata dopo il primo riscaldamento e corrispondeva magnificamente alla previsione teorica per la fase F43m-ZrNH (36-40 K). Avevamo trovato anche la seconda fase!

Cosa Significa Tutto Questo?

Insomma, combinando previsioni teoriche e sintesi sperimentali ad alta pressione, siamo riusciti a identificare e caratterizzare due nuove fasi superconduttrici nel sistema Zr-N-H. La fase F43m-ZrNH, con la sua T_c vicina ai 40 K a 142 GPa, rappresenta un valore notevolmente alto per un superconduttore a base di nitruri.

Certo, 40 K è ancora molto freddo (-233 °C) e le pressioni richieste sono ancora enormi. Non siamo ancora arrivati alla superconduttività a temperatura ambiente e pressione atmosferica. Ma questi risultati sono importanti per diverse ragioni:

• Dimostrano, sia teoricamente che sperimentalmente, la superconduttività negli idruri ternari di zirconio e azoto.
• Confermano che la forma chimica dell’idrogeno (atomico vs molecolare) gioca un ruolo cruciale nel determinare la T_c.
• Aprono una nuova strada per la ricerca di superconduttori, concentrandosi sugli idruri basati su nitruri di metalli di transizione.

È un passo avanti significativo nella nostra comprensione e nella nostra capacità di “progettare” nuovi materiali superconduttori. La strada è ancora lunga, ma ogni scoperta come questa ci avvicina un po’ di più al sogno di sfruttare appieno il potenziale della superconduttività. E questa, amici miei, è la bellezza della ricerca scientifica!

Fonte: Springer