Realizzato un rivoluzionario superconduttore unidirezionale

Provate ad immaginare un computer in grado di funzionare con elettricità che scorre per sempre senza però mai riscaldarsi. Non si tratta di magia, ma del futuro potenziale di un fenomeno reale chiamato superconduttività. Un gruppo di ricerca della Delft University of Technology ha fatto una scoperta rivoluzionaria che potrebbe aprire la strada all’informatica dei superconduttori.

Il team di ricerca, guidato dal professore associato Mazhar Ali, ha trovato un modo per abilitare la superconduttività unidirezionale senza campi magnetici, qualcosa che si pensava fosse impossibile sin dalla sua scoperta nel 1911, fino ad oggi. In sostanza, è possibile far fluire l’elettricità in una sola direzione. Un po’ come un treno che affronta liberamente una discesa ma nella direzione opposta è scoraggiato dalla salita. Se i risultati acquisiti dagli scienziati dovessero ricevere ulteriori conferme sperimentali, quel futuro potrebbe avvicinarsi sempre di più.

Superconduttività e fisica quantistica

Se il 20° secolo è stato il secolo dei semiconduttori, il 21° può diventare il secolo dei superconduttori.

Mazhar Ali, professore associato alla guida del team di ricerca

Dalla scoperta della superconduttività, molti scienziati, compresi i vincitori del Premio Nobel, si sono interrogati sulla sfida di far andare gli elettroni di un superconduttore in una sola direzione.

La superconduttività va contro il modo in cui dovrebbe funzionare la fisica. Normalmente, mentre la corrente elettrica scorre lungo un filo, gli elettroni all’interno affrontano una forte resistenza, sfiorando gli atomi che formano il filo. L’energia elettrica si perde, spesso sotto forma di calore, che è anche sinonimo di inefficienza e crescita dei consumi.

Ma se raffreddi un materiale che conduce elettricità, raggiungerai un punto che gli scienziati chiamano temperatura critica. La precisa temperatura critica dipende dalla sostanza, ma di solito è nel regno criogenico, appena sopra lo zero assoluto, la temperatura più fredda consentita dalla fisica. Nel punto critico, la resistenza del materiale precipita fino a diventare funzionalmente nulla. Ora hai creato un superconduttore.

Che aspetto ha l’elettricità senza resistenza? Significa che la corrente può fluire attraverso un filo, teoricamente per l’eternità, senza mai dissiparsi. Questo è un risultato sorprendente in fisica, dove il moto perpetuo non dovrebbe essere possibile.

Conosciamo questa stranezza magica della fisica quantistica da quando uno studente nei Paesi Bassi si è imbattuto in essa nel 1911. Oggi, gli scienziati usano la superconduttività per osservare campi magnetici estremamente piccoli, come quelli all’interno del cervello dei topi. Avvolgendo fili superconduttori attorno a un magnete, gli ingegneri possono creare elettromagneti a bassa energia e ad alta potenza che alimentano qualsiasi cosa, dalle macchine per la risonanza magnetica negli ospedali alla prossima generazione di treni proiettili giapponesi.

Il mio gruppo non si stava avvicinando a questa ricerca con l’obiettivo di realizzare effettivamente la superconduttività unidirezionale.

Mazhar Ali

Il gruppo di Ali, diversi anni fa, aveva iniziato a studiare le proprietà di un metallo dal nome evocativo, Nb3Br8, costituito da atomi di niobio (un metallo spesso utilizzato in alcuni tipi di acciaio e magneti specializzati) e bromo (un alogeno, simile al cloro o iodio, che si trova spesso nei ritardanti di fiamma).

Man mano che il team di studio produceva fogli di Nb3Br8 sempre più sottili, hanno scoperto che in realtà diventava sempre più conduttivo. Per indagare ulteriormente, si sono rivolti a una tecnica collaudata: inserire l’Nb3Br8 tra due pezzi di un noto superconduttore. È così che hanno scoperto di aver realizzato un superconduttore unidirezionale.

Quello che il gruppo di Ali ha creato è molto simile a un diodo: un componente che conduce l’elettricità solo in una direzione. I diodi sono onnipresenti nell’elettronica moderna, fondamentali per sostenere la logica che consente ai computer di funzionare. Eppure Ali e i suoi colleghi non sanno bene come funziona questo effetto nell’oggetto che hanno creato.

C’è ancora molta ricerca fondamentale che deve essere fatta per scoprire la nuova fisica nascosta.

Mazhar Ali

Non è la prima volta che i fisici costruiscono una strada superconduttrice a senso unico, ma le costruzioni precedenti generalmente necessitavano di campi magnetici. Questo è comune quando si tratta di manipolare i superconduttori, ma rende la vita degli ingegneri più complicata.

L’applicazione dei campi magnetici è ingombrante. Se gli ingegneri vogliono manipolare parti diverse all’interno di un superconduttore, ad esempio, i campi magnetici rappresentano una sfida notevole.

Anand Bhattacharya, fisico dell’Argonne National Laboratory nella periferia di Chicago

Questo è il motivo per cui la capacità del gruppo di Ali di rendere i superconduttori unidirezionali è eccezionale, paragonabile all’invenzione di un tipo speciale di ghiaccio che ti dà zero attrito quando si pattina in un modo, ma un attrito insormontabile nell’altro modo.

Possibili scenari futuri per il superconduttore unidirezionale

Questi risultati spianano la strada all’informatica superconduttiva, che potrebbe rendere l’elettronica centinaia di volte più veloce, il tutto con zero perdite di energia. Ma non è tutto.

Anche i computer convenzionali potrebbero trarne vantaggio: non i PC e i laptop che utilizziamo quotidianamente, probabilmente, ma colossi più grandi come i supercomputer industriali. Altri beneficiari potrebbero essere i giganteschi rack di server all’interno dei data center di tutto il mondo. Rappresentano un enorme 1% del consumo energetico mondiale, paragonabile a interi paesi di medie dimensioni. Portare i superconduttori sui server di dati potrebbe renderli migliaia di volte più efficienti dal punto di vista energetico.

La strada affinché tutto ciò accada è però ancora molto lunga. I passi successivi consistono nel trovare un modo per produrre molti diodi superconduttori contemporaneamente e riuscire a farli funzionare al di sopra di -321°F, il punto di ebollizione dell’azoto liquido.