Superconductivity of Tellurium Polyhydride with Tc above 90K

Per decenni, gli scienziati hanno dato la caccia a un materiale in grado di condurre elettricità senza alcuna perdita di energia, uno stato noto come superconduttività. Sebbene questo fenomeno sia ben noto, di solito richiede temperature così fredde da trovarsi solo nelle profondità più remote dello spazio, rendendo l'uso pratico incredibilmente difficile. La ricerca si è intensificata recentemente attorno a una specifica famiglia di materiali chiamati poliidruri, ovvero composti costituiti da idrogeno legato ad altri elementi. Teoricamente, questi materiali racchiudono una promessa unica: se vengono schiacciati con abbastanza pressione, gli atomi di idrogeno vengono costretti così vicini tra loro da iniziare a comportarsi come un metallo, permettendo potenzialmente all'elettricità di fluire liberamente a temperature molto più calde rispetto al passato. Questo concetto di "pre-compressione" suggerisce che, applicando una forza immensa, i ricercatori potrebbero abbassare la temperatura necessaria per la superconduttività fino a un punto in cui potrebbe un giorno essere utile nel mondo reale.

Costruendo su questa idea, un team di ricercatori ha ora aggiunto un nuovo capitolo alla storia scoprendo la superconduttività in un composto fatto di tellurio e idrogeno. Il tellurio è un elemento chimico che si trova sul lato destro della tavola periodica e, quando combinato con l'idrogeno in condizioni estreme, forma un materiale che conduce elettricità senza resistenza a una temperatura di circa 91 Kelvin, ovvero circa -182 gradi Celsius. Sebbene questa sia ancora una temperatura molto al di sotto del punto di congelamento dell'acqua, rappresenta un salto significativo per questo specifico tipo di materiale e segna la prima volta in cui la superconduttività viene osservata in un composto di tellurio ricco di idrogeno.

Per creare questo materiale, gli scienziati hanno dovuto ricreare le pressioni schiaccianti che si trovano nelle profondità della crosta terrestre. Hanno utilizzato un dispositivo chiamato cella a incudine di diamante, che consiste in due minuscoli diamanti con punte piatte che possono essere premuti l'uno contro l'altro per schiacciare un campione tra di essi. All'interno di questa camera microscopica, hanno inserito un granello di tellurio e una sostanza ricca di idrogeno chiamata ammoniaca borano, che fungeva sia da fonte di idrogeno che da mezzo per trasmettere la pressione. Hanno riscaldato il campione con un potente laser a temperature di circa 2.000 Kelvin, rompendo l'ammoniaca borano e rilasciando gas idrogeno che ha reagito con il tellurio per formare il nuovo composto. Questo processo è stato delicato e difficile; l'intenso calore richiesto per forgiare il materiale spesso danneggiava le incudini di diamante, rendendo difficile ripetere l'esperimento o testare il materiale sotto pressioni variabili.

Una volta formato il materiale, i ricercatori ne hanno misurato la resistenza elettrica mantenendolo sotto alta pressione e raffreddandolo. Hanno osservato che, al diminuire della temperatura, la resistenza elettrica del campione scendeva drasticamente e infine svaniva completamente, un segno chiaro che il materiale era diventato un superconduttore. In uno dei loro campioni, questo stato a resistenza zero è apparso a una temperatura di circa 91 Kelvin. Per confermare che si trattasse effettivamente di superconduttività e non solo di un cambiamento nella struttura o nel magnetismo del materiale, hanno applicato campi magnetici. Hanno scoperto che, man mano che il campo magnetico cresceva, la temperatura alla quale il materiale diventava superconduttore scendeva, un comportamento che è un tratto distintivo dei veri superconduttori. Questa sensibilità ai campi magnetici ha anche suggerito che le regioni superconduttrici all'interno del campione fossero connesse da legami deboli, una caratteristica comune nei materiali composti da molti piccoli cristalli.

Il team si è poi rivolto a un potente raggio di raggi X presso un grande centro di ricerca per guardare all'interno del materiale e vedere come sono disposti i suoi atomi. Il pattern di diffrazione catturato ha rivelato che la fase superconduttrice è un composto specifico chiamato TeH4, dove un atomo di tellurio è legato a quattro atomi di idrogeno. La struttura di questo composto è piuttosto distinta, caratterizzata da gabbie di atomi di idrogeno che condividono le facce tra loro, formando un reticolo che ricorda un nido d'ape. All'interno di questa struttura, coppie di atomi di idrogeno si trovano vicine, agendo quasi come singole molecole intrappolate nel framework più grande. Questa disposizione corrisponde alle previsioni teoriche fatte da altri scienziati, i quali avevano suggerito che questa specifica forma sarebbe stata stabile sotto tali alte pressioni ed in grado di supercondurre.

La scoperta pone il poliidruro di tellurio accanto all'idruro di zolfo come uno dei pochi noti superconduttori di poliidruri di calcogeni. Sebbene i ricercatori non siano riusciti a variare la pressione su e giù per vedere come il materiale si comportava a causa della fragilità dei loro campioni, i dati raccolti forniscono una solida base per comprendere come i materiali ricchi di idrogeno si comportano sotto stress estremo. I risultati confermano che, schiacciando questi elementi insieme, è possibile creare nuovi stati della materia che conducono elettricità con efficienza perfetta a temperature che, sebbene ancora molto fredde, sono più calde di quelle richieste dai superconduttori tradizionali. Questo lavoro amplia la mappa dei materiali superconduttori noti e offre ulteriore prova del fatto che la promessa teorica della superconduttività ad alta temperatura dei poliidruri sta diventando una realtà tangibile.