Il poliidruro di tantalio si unisce alla classe emergente degli alti

Jul 31, 2023

Il poliidruro di tantalio diventa un superconduttore a una temperatura di 30 K e pressioni di circa 200 gigapascal (GPa), affermano i ricercatori dell'Accademia cinese delle scienze di Pechino. Ciò segna la prima volta che la superconduttività è stata osservata in un idruro costituito da un metallo di transizione del Gruppo 5, e i membri del gruppo di ricerca affermano che la scoperta potrebbe aprire la strada alla sintesi dell’idrogeno metallico.

I superconduttori sono materiali che trasportano corrente elettrica senza resistenza elettrica quando raffreddati al di sotto della temperatura di transizione superconduttiva (Tc). Sono utilizzati in applicazioni che vanno dai magneti ad alto campo negli scanner MRI e negli acceleratori di particelle ai bit quantistici nei computer quantistici. Tuttavia, la Tc per la maggior parte dei superconduttori è solo pochi gradi sopra lo zero assoluto, e anche i cosiddetti superconduttori ad alta temperatura devono essere raffreddati al di sotto di 150 K prima di poter condurre elettricità senza resistenza. I ricercatori stanno quindi cercando di sviluppare materiali che rimangano superconduttori a temperature più elevate, e idealmente a temperatura ambiente.

In teoria, lo stato metallico dell’idrogeno, che si prevede si verifichi a pressioni estremamente elevate, dovrebbe essere un superconduttore a temperatura ambiente. Sfortunatamente, è molto difficile rendere metallico l’idrogeno puro. In alternativa, gli scienziati hanno iniziato a studiare gli idruri, che sono composti costituiti da idrogeno e un metallo.

Negli ultimi anni si è scoperto che l’idruro di zolfo e i poliidruri sono superconduttori a temperature superiori a 200 K, anche se solo a pressioni più di un milione di volte superiori alla pressione atmosferica a livello del mare. Altri materiali superconduttori di questa classe includono idruri di terre rare come LaH10 e YH9 e idruri di terre alcaline come CaH6. Similmente è stato riscontrato che gli idruri contenenti zirconio, lutezio e stagno hanno una Tc moderatamente alta.

La maggior parte dei metalli di transizione 3D hanno spin elettronici locali che tendono a mostrare fluttuazioni magnetiche che si oppongono alla superconduttività. Per questo motivo, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione ai metalli di transizione 5d come Hf e Ta. Infatti, il poliidruro di afnio diventa superconduttore a circa 83 K.

Un team di ricercatori guidati da Changqing Jin ha ora sintetizzato un ulteriore idruro superconduttore, il poliidruro di tantalio (TaH3). Hanno eseguito il loro esperimento posizionando il materiale in una cella a incudine di diamante e, a una pressione di 200 GPa, hanno osservato che superconduce a circa 30 K. Questo lo rende il primo idruro superconduttore prodotto dai metalli del Gruppo 5, afferma Jin. e colleghi, che hanno studiato la fase superconduttiva utilizzando la conduttanza elettrica in situ e misurazioni di diffrazione di raggi X ad alte pressioni.

Prove di superconduttività "quasi ambientale" trovate nell'idruro di lutezio

Jin spiega che il tantalio ha un’elevata tolleranza agli elementi interstiziali e può ospitare più di tre atomi di idrogeno nel suo reticolo. Tuttavia, questi atomi sono troppo distanti tra loro perché gli elettroni possano saltare direttamente tra i diversi siti del materiale e produrre una corrente elettrica senza dissipazione. "Suggeriamo quindi che la superconduttività che abbiamo osservato sia legata all'ibridazione tra gli orbitali di Ta e H", dice a Physics World. “Questo è totalmente diverso da quello che ci si aspetta per i superconduttori di idruro di calcio o poliidruro di terre rare, in cui l’elettrone può saltare direttamente tra atomi di H adiacenti che formano una gabbia molto densa”.

L'osservazione della superconduttività in TaH3 implica che l'idrogeno metallico potrebbe essere realizzato metallizzando un legame covalente tra H e altri elementi. I ricercatori, che riportano il loro lavoro in Chinese Physics Letters, affermano che ora intendono esplorare altri superconduttori poliidrurici contenenti questi legami covalenti.