Introduzione alla superconduttività e ai materiali superconduttori

Ottobre 21st, 2021 | by Alessandro Renzi |

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Fin dal 1911, quando Kamerlingh Onnes scoprì la superconduttività nel mercurio a 4.2K , i valori di temperatura critica osservati sono gradualmente aumentati, fino a raggiungere nei primi anni Settanta i 23K circa.

Di pari passo sì è cercato di comprendere il meccanismo alla base del fenomeno scoperto da Onnes (che prenderà nel 1913 il premio Nobel, con la seguente motivazione "for his investigations on the properties of matter at low temperatures which led, inter alia, to the production of liquid helium." Aveva infatti risolto un problema non da poco. Nel 1908 era riuscito a liquefare l'elio, un'impresa tutt'altro che semplice. La liquefazione dell'elio passa per un ciclo termodinamico molto complesso, a causa di certe proprietà specifiche dell'elio stesso: i tentativi di molti altri scienziati, tra cui Dewar che nel 1898 era riuscito per primo a liquefare l'idrogeno, fallivano sistematicamente da anni). Già in quegli anni ci si interrogava su quello che sarebbe accaduto alla corrente elettrica (che come sappiamo altro non è che uno spostamento "netto" di cariche elettriche all'interno di un materiale) all'avvicinarsi allo zero assoluto.

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La prima proprietà sperimentalmente osservata dei materiali superconduttori è -- come detto -- la totale perdita di resistenza elettrica ad una temperatura critica caratteristica di ciascun materiale. Si dice che alla temperatura critica il materiale subisce una transizione di fase da uno stato normale ad uno stato superconduttore. Al di sopra della temperatura critica le proprietà del materiale sono relativamente "normali"; al di sotto, viceversa, si riscontra una serie di eventi singolari, tra cui appunto l'assenza di una resistenza elettrica misurabile. Le proprietà magnetiche o di altro tipo mostrate da un superconduttore sono notevoli, come vedremo, tanto quanto le sue proprietà elettriche.

La comprensione teorica della superconduttività e dei fenomeni ad essa connessi è stata ottenuta a vari livelli. Alcuni risultati sono una conseguenza diretta della termodinamica. Molti risultati importanti possono essere ottenuti da teorie fenomenologiche: teorie di London e di Ginzburg-Landau (teorie "macroscopiche" della superconduttività). A livello microscopico lo stato di superconduttività è uno stato ordinato degli elettroni di conduzione del materiale. L'ordine consiste nella formazione di coppie di elettroni debolmente associati (coppie di Cooper). Gli elettroni sono ordinati a temperature al di sotto della temperatura critica e non lo sono al di sopra. La natura e l'origine dell'ordine è stata spiegata per la prima volta nel 1957 da J. Bardeen, L.N. Cooper e J.R. Schrieffer in una teoria quantistica della superconduttività (teoria BCS)).

La ricerca di nuovi materiali superconduttori aveva portato nel frattempo ad un lento aumento della più alta temperatura di transizione conosciuta, raggiungendo nel 1973 i 23.2K con l'osservazione della superconduttività in film di Nb, Ge prodotti per sputtering da L.R. Testardi et al. . Questa temperatura è rimasta un primato per molti anni.

Poiché a pressione atmosferica il punto di ebollizione dell'idrogeno liquido è 20.3K , quello del neon 27.2K , e quello dell'azoto 77.4K rimaneva necessario sempre e comunque usare come refrigerante l'elio liquido (punto di ebollizione 4.2K ) osservare le proprietà di un superconduttore. Al tempo stesso l'elio è relativamente costoso e scarso, senza dire nulla delle difficoltà ad operare a temperature così basse.

Tali temperature critiche erano quindi troppo basse, quindi i costi di refrigerazione troppo alti, per permettere lo sviluppo su larga scala delle applicazioni dei materiali superconduttori.

È chiaro che la comparsa di superconduttori facilmente accessibili che richiedessero di essere raffreddati solamente con idrogeno o neon liquidi, o addirittura con azoto liquido, avrebbe avuto significative conseguenze economiche e tecnologiche.

Nel 1986 venne effettuata una scoperta rivelatasi poi epocale. In quell'anno, J. G. Bednorz e K.A. Muller osservarono che un ossido misto di lantanio, bario e rame ("LBCO") cominciava la sua transizione superconduttiva appena al di sotto di 35K . La strada verso temperature di transizione radicalmente più alte era stata aperta.
Questa scoperta, premiata con il premio Nobel nel 1987 (fig. 2).

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La scoperta era sorprendente ed eccitante, non solo per il grande in temperatura critica, ma anche perché essa rivelava che gli ossidi formavano una classe nuova e non sospettata di materiali superconduttori con grandi potenzialità. Il lavoro immediatamente successivo alla scoperta di Bednorz e Muller ha portato all'individuazione della classe di materiali "214", esemplificata dal La2-xBaxCuO4, con temperatura critica di 40K circa. Rapidamente poi è seguito un altro grande salto a temperatura critica di 90K circa, con la scoperta della classe di materiali "123", esemplificata dall' Y1Ba2Cu3O8-x ossido misto di ittrio, bario e rame ("YBCO"). Questi materiali sono stati i primi capaci di diventare superconduttori in azoto liquido. Poco dopo, valori di temperatura critica ancora più alti sono stati trovati nel sistema "BSCCO" (ossidi misti di bismuto, stronzio, calcio e rame) e nel sistema "TBCCO" (ossidi misti di tallio, bario, calcio e rame).

Sono stati scoperti fino ad oggi materiali superconduttori con temperatura critica fino a 140K circa. La ricerca è tuttora estremamente attiva e nuovi materiali vengono scoperti di continuo. Di pari passo si sviluppano le applicazioni dei superconduttori ad alta temperatura critica. Un grande sforzo è poi in atto per sviluppare una teoria che possa spiegare le proprietà di questi materiali e indirizzare le ricerche future.

Le temperature di transizione molto alte esibite da questi nuovi superconduttori sono di ovvio interesse tecnico poiché richiedono solo il raffreddamento in azoto liquido, piuttosto che con elio liquido. Esse pongono però anche domande fondamentali, dato che la teoria BCS di per sé stessa è valida per i superconduttori convenzionali o a bassa temperatura critica e non può spiegarle.

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Ad oggi i superconduttori rappresentano tuttora un formidabile campo di ricerca sperimentale, sia nella ricerca di base che applicate, nonché una sfida teorica ancora aperta che può superare i confini della fisica dello stato solido.
Recentemente ricercatori italiani hanno scoperto come sia possibile generare coppie di quasi-particelle nei materiali superconduttori applicando elevati campi elettrici. La ricerca è stata scelta come lavoro di copertina per la rivista Physical Review Letters.

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Fig. 1

Trattasi del cosiddetto effetto Schwinger, una previsione relativa al fatto che fosse possibile creare una coppia elettrone-positrone dal vuoto, attraverso l'applicazione di un campo elettrico molto intenso.

Tramite una analogia tra lo stato di superconduttività e lo stato di vuoto, la ricerca dimostra che un effetto simile può verificarsi nei materiali superconduttori, sotto l'azione di campi elettrici realizzabili in laboratorio. Questo risultato ha importanti implicazioni teoriche e applicazioni tecnologiche in vari campi.

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