Dipartimento di Fisica

La sfida mondiale della metalizzazione dell’idrogeno vede l’università Sapienza di Roma in prima linea. I risultati di uno studio pubblicati su Nature Physics

Roma, 21 settembre 2020 – (e.b.) Prendere un gas (l’idrogeno) e comprimerlo fino a renderlo solido e resistente come il metallo. Uno studio di fisica teorica, guidato dall’università di Roma Sapienza, ha calcolato le caratteristiche fisiche (conducibilità elettrica, colore e lucentezza) e le proprietà chimiche di questo materiale al variare della pressione. I risultati dello studio, di concezione italiana, sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nature Physics, proprio mentre in Europa si annunciano ingenti investimenti di Germania e Francia nel settore.

La ricerca si inserisce in un filone internazionale che da decenni vede gruppi di tutto il mondo impegnati nel comprimere gli atomi di idrogeno per creare in laboratorio a temperatura ambiente un superconduttore dalle prestazioni molto elevate, che non si surriscalda e non disperde energia, di grande interesse per applicazioni nel settore energetico e dell’elettronica e in altre svariate situazioni che richiedano materiali in grado di funzionare anche in condizioni estreme. L’idrogeno metallico venne teorizzato per la prima volta oltre 80 anni fa e viene considerato un santo graal dai fisici.

La strada per raggiungerlo passa dallo schiacciare tra loro molecole di Idrogeno (confinamento quantico) attraverso una pressione molto elevata di circa 500 GPa (gigapascal: un solo gigapascal equivale alla pressione esercitata dal peso di un elefante sulla superficie di una moneta da un euro).

Di recente, tre studi sperimentali avevano riportato risultati in contraddizione: Uno studio di Harvard pubblicato nel 2017 su Science ha osservato l’idrogeno annerirsi sopra i 300 GPa e poi diventare improvvisamente scintillante a 500 GPa (un tipico segnale di metallizzazione). Uno studio seguente, pubblicato nel 2019 su Nature Physics, ha misurato la conducibilità elettrica del campione, mostrando che metallizza a 360 GPa. Infine, ad inizio 2020, un terzo studio pubblicato su Nature ha mostrato che l’idrogeno rimane trasparente se osservato con luce infrarossa fino a 420 GPa, quando diventa improvvisamente opaco. Ciascun gruppo di autori afferma di essere stato il primo ad aver osservato la metallizzazione dell’idrogeno.

Lorenzo Monacelli, del Dipartimento di Fisica dell’Università di Roma Sapienza e primo autore del lavoro, racconta: «Abbiamo usato un modello teorico di avanguardia, da noi sviluppato, per poter simulare l’idrogeno ad alta pressione al computer, in modo da scoprire se ci fossero errori nei dati sperimentali, e da far chiarezza sui meccanismi di metallizzazione dell’idrogeno».

Il fisico teorico spiega: «Siamo stati molto sorpresi quando i risultati delle simulazione hanno confermato tutti i dati sperimentali: l’idrogeno metallico è un materiale particolarissimo: non solo è un metallo nero (caso raro, come la grafite), ma è addirittura trasparente alla luce infrarossa, e questo lo rende unico».

L’articolo

L’articolo, dal titolo “Black metal hydrogen above 360 GPa driven by proton quantum fluctuations”, è stato scritto da Lorenzo Monacelli e Francesco Mauri (Università La Sapienza, Roma), Matteo Calandra (Università di Trento) e Ion Errea (Università dei Paesi Baschi). È stato pubblicato il 7 settembre 2020 su Nature Physics.

L’articolo è disponibile su: https://www.nature.com/articles/s41567-020-1009-3

(DOI: 10.1038/s41567-020-1009-3)