Riassunto:
La superconduttività a temperatura ambiente è sempre stata uno degli obiettivi di ricerca più importanti nella fisica della materia condensata. Se la superconduttività potesse essere raggiunta a temperature ambiente ordinarie, potrebbe inaugurare grandi cambiamenti in aree come la trasmissione di energia, il trasporto a levitazione magnetica, lo stoccaggio di energia e l’informatica quantistica. Un gruppo di ricerca dell'Università di Utrecht nei Paesi Bassi, dell'Università di Leiden nei Paesi Bassi e dell'Università di Monaco in Germania ha recentemente compiuto un progresso importante:
Hanno scoperto che in alcuni materiali superconduttori ad alta temperatura, il fenomeno dell'accoppiamento degli elettroni necessario per formare la superconduttività può essere mantenuto fino alla temperatura ambiente. Ciò significa che il fattore chiave che impedisce ai materiali di raggiungere la superconduttività a temperatura ambiente potrebbe non essere l’incapacità degli elettroni di formare coppie, ma l’incapacità di queste coppie di elettroni di muoversi in modo coordinato.
La superconduttività è uno stato fisico speciale. Quando un materiale diventa superconduttore, la corrente può fluire attraverso di esso senza resistenza, quindi l'energia non viene persa a causa della resistenza come i normali conduttori. Nel 1911, gli scienziati scoprirono per la prima volta il fenomeno della superconduttività. Tuttavia, i materiali superconduttori tradizionali di solito necessitano di essere raffreddati a temperature estremamente basse per funzionare. Molti materiali richiedono addirittura l’uso di elio liquido per abbassare la temperatura a circa meno 260 gradi Celsius. Questo requisito di raffreddamento costoso e complesso limita fortemente l’applicazione su larga scala della tecnologia dei superconduttori.
A metà degli anni '80, gli scienziati scoprirono una serie di materiali in grado di supercondurre a temperature significativamente più elevate, alcuni dei quali avevano una temperatura critica superconduttiva di circa meno 173 gradi Celsius. Sebbene questa temperatura sia ancora molto inferiore alla temperatura ambiente, infrange il limite di temperatura dei materiali superconduttori tradizionali e solleva anche nuove questioni teoriche: le teorie che spiegano la tradizionale superconduttività a bassa temperatura non possono spiegare completamente perché questi materiali superconduttori ad alta temperatura possano funzionare.
Questa ricerca si concentra su due condizioni indispensabili nella formazione della superconduttività.
La prima condizione è l'accoppiamento degli elettroni. Normalmente, gli elettroni interagiscono tra loro e, in determinati materiali e ambienti, due elettroni possono formare uno stato associato chiamato coppia di Cooper. Questo accoppiamento è una base importante per la formazione della superconduttività.
La seconda condizione è la coerenza di fase. Anche se gli elettroni hanno formato una coppia, ciò non significa che il materiale entrerà necessariamente in uno stato superconduttore. Le coppie di elettroni devono anche formare uno stato quantico coordinato, come i partner di una squadra di ballo. Non solo ogni membro della coppia deve lavorare insieme, ma tutti i membri devono anche mantenere lo stesso ritmo. Solo quando un gran numero di coppie di elettroni possono muoversi insieme in modo coordinato un materiale può mostrare vere proprietà superconduttrici.
Nei tradizionali materiali superconduttori a bassa temperatura, l'accoppiamento elettronico e la coerenza di fase di solito si verificano insieme quando la temperatura si riduce vicino al punto critico. Ma i ricercatori hanno scoperto che i due processi nei materiali superconduttori ad alta temperatura possono essere separati l’uno dall’altro. Gli elettroni sono in grado di formare coppie con largo anticipo, ben al di sopra della temperatura critica della superconduzione, e rimanere in questo stato anche a temperatura ambiente.
Il gruppo di ricerca ritiene che ciò dimostri che l'interazione che mantiene l'accoppiamento degli elettroni è abbastanza forte che, anche se la temperatura aumenta fino a quella ambiente, la coppia di elettroni non si disintegrerà immediatamente. Ciò che realmente limita la formazione di superconduttività potrebbe essere la seconda condizione, ovvero se queste coppie di elettroni possono stabilire una coerenza di fase.
Ingmar Swart, uno dei leader della ricerca e scienziato dell'Università di Utrecht, ha affermato che questa scoperta è di grande importanza perché il gruppo di ricerca ha dimostrato che una delle due condizioni chiave richieste per formare la superconduttività a temperatura ambiente può essere raggiunta a temperatura ambiente. Se l’accoppiamento elettronico semplicemente non può essere mantenuto a temperatura ambiente, allora gli sforzi per trovare materiali superconduttori a temperatura ambiente saranno fondamentalmente limitati fin dall’inizio. Ora che questo ostacolo è stato ulteriormente rimosso, i ricercatori possono studiare in modo più approfondito come si forma esattamente la coerenza di fase e cosa le impedisce di emergere a temperature più elevate.
Il progresso di questa ricerca è strettamente correlato alle nuove apparecchiature di misurazione sviluppate dagli stessi ricercatori. I metodi di misurazione tradizionali spesso hanno difficoltà a distinguere chiaramente se la corrente è trasportata da un singolo elettrone o da elettroni che hanno formato una coppia. Il nuovo dispositivo progettato dal gruppo di ricerca è in grado di distinguere tra queste due correnti, consentendo loro di studiare direttamente l'intervallo di temperatura in cui avviene l'accoppiamento degli elettroni all'interno del materiale e come questo si collega allo stato superconduttore.
Il materiale utilizzato nella ricerca è un superconduttore ad alta temperatura di ossido di rame, in particolare un materiale di ossido di rame calcio bismuto stronzio. Misurando le sue caratteristiche energetiche degli elettroni, i ricercatori hanno trovato una corrispondenza tra un fenomeno precedentemente noto come pseudogap (Pseudogap) e l'energia richiesta per l'accoppiamento degli elettroni. Ciò fornisce una nuova base sperimentale per comprendere il meccanismo di accoppiamento degli elettroni nella superconduttività ad alta temperatura.
Il documento di ricerca in questione si intitola "Equivalence of pseudogap and Pairing Energy in a cuprate high-temperature superconductor" ed è stato pubblicato sulla rivista Science il 5 novembre 2026. Gli autori principali del documento includono Jiasen Niu e Maialen Ortego Larrazabal, e la ricerca è stata completata in collaborazione con scienziati dell'Università di Utrecht, dell'Università di Leiden, dell'Università di Monaco e di altre istituzioni.
Tuttavia, questa scoperta non significa che gli scienziati abbiano creato materiali superconduttori a temperatura ambiente. I ricercatori non hanno dimostrato che nessun materiale possa raggiungere una resistenza pari a zero a temperatura ambiente, né hanno dimostrato circuiti superconduttori che possano funzionare a temperatura ambiente. La vera svolta è arrivata quando hanno scoperto che la condizione necessaria per l’accoppiamento degli elettroni può esistere a temperatura ambiente, restringendo ulteriormente la portata del problema da risolvere nella ricerca di superconduttori a temperatura ambiente.
Successivamente, il gruppo di ricerca si concentrerà sullo studio della coerenza di fase, cercando di capire perché le coppie di elettroni possono formarsi a temperatura ambiente ma non riescono a coordinare il loro movimento alla stessa temperatura. Se riuscissero a trovare un modo per controllare questo processo, potrebbero essere in grado di progettare nuovi materiali in grado di supercondurre a temperature più elevate.
Dal punto di vista dell'importanza della ricerca, il valore più importante di questo risultato non è quello di produrre immediatamente un nuovo materiale superconduttore, ma di aiutare gli scienziati a comprendere in modo più accurato il meccanismo fisico della superconduttività ad alta temperatura. Negli ultimi decenni, la ricerca sulla superconduttività a temperatura ambiente è stata limitata da spiegazioni teoriche incomplete. Ora, l’accoppiamento elettronico e la coerenza di fase possono essere studiati separatamente, fornendo una direzione più chiara per la fase successiva della progettazione dei materiali e dell’esplorazione sperimentale.
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