Enhanced Coulomb pseudopotentials in high-pressure hydrides from first principles

Per decenni, gli scienziati hanno dato la caccia a un tipo specifico di materiale: uno che conduca l'elettricità con resistenza zero a temperature molto più calde del freddo intenso dello spazio profondo. Questo fenomeno, noto come superconduttività, promette di rivoluzionare tutto, dalle reti elettriche agli scanner medici, ma di solito richiede che i materiali siano raffreddati vicino allo zero assoluto. Negli ultimi anni, una nuova classe di materiali chiamati idruri — composti ricchi di idrogeno — è emersa come un principale candidato per abbattere questa barriera di temperatura. Sotto un'immensa pressione, queste sostanze possono diventare superconduttori a temperature che scioglierebbero il ghiaccio, una scoperta che ha spostato il campo dalla pura sperimentazione alla previsione guidata dal computer. Tuttavia, è rimasto un divario persistente tra ciò che i computer prevedono e ciò che gli esperimenti misurano. Il pezzo mancante è stata una forza sottile e invisibile all'interno del materiale: la repulsione tra gli elettroni. Mentre l'attrazione che permette agli elettroni di accoppiarsi e fluire senza resistenza è ben compresa, la forza che li spinge l'uno lontano dall'altro è stata spesso trattata come una stima approssimativa nei calcoli, portando a previsioni che a volte sono il doppio della realtà.

Un team di ricercatori dell'Università di Cambridge e dell'Università di Tohoku ha ora colmato questo divario calcolando questa forza repulsiva partendo dai primi principi, invece di affidarsi a una stima standard. Si sono concentrati su un gruppo di idruri ad alta pressione, inclusi alcuni dei candidati più promettenti per la superconduttività ad alta temperatura. Utilizzando un programma informatico specializzato che hanno sviluppato, hanno mappato come gli elettroni interagiscono all'interno di questi materiali sotto pressione estrema. Il loro lavoro rivela che la forza repulsiva non è un numero costante e universale come precedentemente assunto, ma una variabile che cambia drasticamente a seconda della specifica struttura elettronica del materiale. In alcuni casi, questa forza è così forte da abbassare significativamente la temperatura alla quale il materiale diventa superconduttore, correggendo le precedenti sovrastime e portando le previsioni teoriche in linea con i dati sperimentali.

La storia di questi materiali inizia con il delicato equilibrio all'interno di un superconduttore. Affinché l'elettricità fluisca senza resistenza, gli elettroni devono superare la loro naturale tendenza a respingersi e invece formare coppie. Questo accoppiamento è solitamente mediato dalle vibrazioni nel reticolo cristallino, un processo che agisce come una sorta di colla. Tuttavia, gli elettroni si spingono anche l'un contro l'altro e, se questa spinta è troppo forte, rompono le coppie e distruggono lo stato di superconduttività. In passato, gli scienziati che cercavano di prevedere le prestazioni di nuovi materiali dovevano stimare la forza di questa spinta repulsiva. Poiché calcolarla direttamente è incredibilmente difficile, utilizzavano tipicamente un valore fisso e medio derivato da metalli semplici come l'alluminio. Questo funzionava abbastanza bene per i materiali più vecchi, ma man mano che i ricercatori iniziavano a esplorare complessi composti ricchi di idrogeno sotto alta pressione, questo scorciatoia ha iniziato a fallire. La stima standard portava a previsioni di temperature superconduttive che erano spesso troppo ottimistiche, creando un disconnessione confusa tra la teoria e il laboratorio.

Per risolvere questo problema, i ricercatori si sono rivolti a un metodo che tratta la repulsione non come un'ipotesi, ma come una realtà fisica calcolabile. Hanno esaminato diversi sistemi di idruri, tra cui l'idrogeno solforato, il decaidruro di lantanio e un composto appena previsto chiamato esaidruro di magnesio e iridio. Hanno utilizzato un nuovo strumento software per simulare il comportamento degli elettroni in questi materiali, calcolando esattamente come si comporta la forza repulsiva ai livelli di energia in cui avviene la superconduttività. I risultati sono stati sorprendenti. Hanno scoperto che per molti di questi idruri, la forza repulsiva è molto più forte di quanto suggerito dalla stima standard. Nel caso dell'esaidruro di magnesio e iridio, la repulsione calcolata era quasi quattro volte più forte della convenzionale stima utilizzata nella maggior parte degli studi. Questa differenza non è un dettaglio minore; cambia la temperatura superconduttiva prevista di 40 gradi Kelvin, un cambiamento massiccio che spiega perché i modelli precedenti avevano sovrastimato il potenziale del materiale.

I ricercatori hanno scoperto che la forza di questa repulsione è strettamente legata alla densità degli stati elettronici disponibili all'energia di Fermi, un livello di energia specifico che funge da soglia per l'attività elettronica. Nei materiali in cui questa densità è elevata, gli elettroni sono impacchettati così strettamente che la loro mutua repulsione diventa un fattore dominante. Questo è controintuitivo perché un'alta densità di stati è solitamente vista come un elemento positivo per la superconduttività, poiché aiuta la formazione delle coppie di elettroni in primo luogo. Tuttavia, lo studio mostra che in questi idruri ad alta pressione, la stessa alta densità che aiuta a formare le coppie amplifica anche la forza repulsiva che tenta di romperle. I ricercatori hanno scoperto che in sistemi come l'esaidruro di magnesio e iridio, questa repulsione è così intensa da sopprimere significativamente la temperatura superconduttiva, risolvendo una discrepanza di lungo corso tra due diversi approcci teorici che precedentemente discordavano per un fattore di due.

Lo studio ha anche esaminato come queste forze cambiano quando i materiali vengono schiacciati sotto diversi livelli di pressione. Hanno scoperto che, sebbene la forza repulsiva cambi al variare della pressione, il cambiamento è guidato principalmente dalla variazione della densità degli stati elettronici piuttosto che da un cambiamento fondamentale nella natura della forza stessa. Ciò significa che una volta che gli scienziati comprendono la struttura elettronica di un materiale a una determinata pressione, possono fare stime ragionevolmente accurate del suo comportamento ad altre pressioni semplicemente tracciando come cambia la densità elettronica. Questa intuizione semplifica la ricerca di nuovi superconduttori, suggerendo che la chiave per una previsione accurata risieda non in ipotesi complesse e variabili sulla repulsione, ma in un calcolo preciso del panorama elettronico.

Le implicazioni di questo lavoro si estendono oltre un singolo materiale. I ricercatori hanno dimostrato che per una vasta gamma di idruri, il valore standard e universale della repulsione elettronica è insufficiente. Nei materiali con un'alta densità elettronica, l'uso del vecchio valore standard porta a una sovrastima della temperatura superconduttiva, potenzialmente confondendo i ricercatori su quali materiali valga la pena perseguire. Calcolando direttamente la repulsione, il team ha dimostrato che le temperature previste per diversi candidati principali scendono a livelli che corrispondono molto più da vicino alle osservazioni sperimentali. Ad esempio, nell'idrogeno solforato, i nuovi calcoli hanno abbassato la temperatura prevista di circa 40 gradi, allineandola con quanto misurato in laboratorio. Ciò suggerisce che il percorso per scoprire nuovi superconduttori ad alta temperatura richieda un approccio più rigoroso e specifico per ogni materiale nel calcolo della repulsione elettronica.

Gli autori sottolineano che le loro scoperte si basano su simulazioni dettagliate validate rispetto a metalli noti e superconduttori comuni, il che conferisce loro un'alta fiducia nei risultati. Notano che, sebbene il loro metodo sia computazionalmente intensivo, è sufficientemente fattibile da poter essere utilizzato come strumento standard nelle future ricerche di nuovi materiali. Lo studio non pretende di aver risolto interamente il mistero della superconduttività, ma ha rimosso una grande fonte di errore che ha afflitto il campo per anni. Sostituendo una stima approssimativa con un calcolo preciso, i ricercatori hanno fornito una mappa più chiara per navigare nel complesso mondo degli idruri ad alta pressione. Il risultato è un quadro più onesto di ciò che questi materiali possono fare, garantendo che la ricerca della superconduttività a temperatura ambiente sia guidata da una fisica accurata piuttosto che da assunzioni ottimistiche.