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Chiedi a Ethan: è LK

Nov 01, 2023

Le nostre vite, nell'era moderna, sono dominate dalle tecnologie dell'elettronica e dell'energia elettrica. La nostra necessità mondiale di grandi quantità di energia continua sottolinea la necessità di una maggiore efficienza a tutti i livelli: dalla generazione di energia alla trasmissione fino al consumo. In ogni fase di questo processo, la perdita di energia è un problema, poiché l’atto stesso di spingere gli elettroni attraverso un filo percorso da corrente comporta una perdita di energia, a causa del fenomeno elettrico della resistenza. C'è solo una circostanza fisica in cui la corrente può essere trasmessa senza resistenza: quando il materiale è superconduttore. I superconduttori oggi hanno un’ampia varietà di applicazioni, dalle macchine per la risonanza magnetica agli acceleratori di particelle, ai dispositivi per la fusione magnetica e molti, molti altri.

Attualmente, però, gli unici materiali conosciuti che superconducono lo fanno in condizioni estreme: temperature molto basse. Il “Santo Graal” della ricerca sui superconduttori è trovare un materiale che possa supercondurre in condizioni normali: a temperatura e pressione ambiente. Se potessimo scoprirne uno e implementarlo su larga scala, potremmo eliminare tutti i problemi di perdita di energia e calore disperso: problemi con cui ogni consumatore e produttore di dispositivi deve oggi fare i conti. Alla fine di luglio del 2023, un’affermazione secondo cui un nuovo materiale – noto come LK-99 – è, in effetti, il superconduttore a temperatura ambiente tanto ricercato. Ma è reale? Molti di voi mi hanno scritto a riguardo, inclusi Rob Chapman-Smith e Clint Sears, che hanno chiesto:

"A che punto siamo in questo momento in termini di come appare, perché è stato un ottovolante in tempo reale di speranza e fallimento... [S]cientificamente parlando, come faresti a replicarlo, come potremmo sapere che la replica è corretta, come facciamo a sapere che non è corretto?"

Ogni volta che si avanza un’affermazione che, se vera, cambierebbe il mondo, è fondamentale capire non solo ciò che sappiamo attualmente, ma ciò che avremo bisogno di sapere per determinare con precisione cosa è e cosa non è vero. Immergiamoci nella scienza e scopriamolo!

Cos'è un superconduttore?

Ogni materiale, quando si tenta di far passare una corrente elettrica attraverso di esso (cioè quando si tenta di far muovere gli elettroni al suo interno), mostra una qualche forma di resistenza. Questo perché ogni materiale, naturalmente, ha una proprietà nota come resistività: dove la resistività del materiale moltiplicata per la sua lunghezza e divisa per la sua area della sezione trasversale è uguale a ciò che convenzionalmente chiamiamo resistenza. (Per quelli di voi che hanno imparato la legge di Ohm, V = IR, V è la tensione, I è la corrente e R è la resistenza.) Se costruisci un filo più corto e più spesso, la resistenza diminuisce; se costruisci un filo più lungo e più sottile, la resistenza aumenta.

Ma la resistività, nella maggior parte dei casi, non è una proprietà assoluta di tali materiali, ma dipende piuttosto dalla temperatura di quel materiale. A temperature più elevate, le molecole, gli atomi e persino le particelle subatomiche all'interno degli atomi si muovono più rapidamente e la resistività aumenta all'aumentare della temperatura. Tuttavia, è vero anche il contrario: a temperature più basse, le particelle interne al suo interno si muovono più lentamente, hanno meno energia per particella e interagiscono meno in generale, e la resistività diminuisce.

Per la maggior parte dei materiali, questa è la fine della storia: dovresti raggiungere lo zero assoluto – uno stato fisicamente irraggiungibile – per ottenere resistività zero e, quindi, resistenza zero indipendentemente dalle altre proprietà del tuo materiale. Ma per alcuni materiali, c'è una soglia critica alla quale puoi raffreddarli fino o al di sotto, e quando raggiungi quella soglia, la resistività e la resistenza precipitano tutte insieme a zero. Questi materiali sono superconduttori e quello stato di resistività e resistenza pari a zero è uno stato superconduttore.

Da un punto di vista fisico, cosa rende speciale un superconduttore?

Piuttosto che scendere nella tana del coniglio di ciò che puoi realizzare e creare quando hai un superconduttore – poiché la maggior parte di queste possibilità sono ancora da scoprire – preferirei aiutarti a capire cosa consente a un materiale di essere superconduttore dal punto di vista fisico. In circostanze normali, anche all’interno di un conduttore, il semplice fatto che le cariche elettriche si muovano al suo interno impedisce al materiale di raggiungere uno stato superconduttore.