Teoria fenomenologica dei London

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Teoria fenomenologica dei London

domenica, Febbraio 20th, 2022

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In fisica, per fenomenologia si intende l'applicazione della fisica teorica ai dati sperimentali facendo previsioni quantitative basate su teorie conosciute. Mira a fare previsioni descriventi comportamenti attesi dei fenomeni reali, ed è per certi versi l'opposto della sperimentazione, nella quale l'obiettivo è provare una ipotesi scientifica. La fenomenologia fisica non è concetto filosofico, nel senso che le sue previsioni descrivono comportamenti attesi dei fenomeni reali.

La fenomenologia è applicata alle branche della fisica quando non ci sono teorie esistenti per i dati sperimentali ottenuti. E per i superconduttori si era (e per certi versi siamo tuttora) privi di teorie in grado di spiegare le evidenze di laboratorio.

In una teoria fenomenologica è fondamentale il modello. Gli esperimenti sul comportamento dei superconduttori in presenza di campo magnetico avevano chiarito come lo stato superconduttivo fosse appunto uno stato specifico della materia, e quindi ad esso fosse applicabile l'apparato concettuale della termodinamica.

Gorter e Casimir impiegarono il modello a due fluidi nel 1934 per cercare di spiegare la superconduttività, ancora prima che esso fosse proposto nel 1938 da altri per l'elio liquido. Essi postularono che in un metallo allo stato superconduttore fossero presenti due tipi diversi di elettroni di conduzione (in entrambi i casi considerati come "gas perfetti" di particelle). Una parte degli elettroni, che possiamo indicare percentualmente con 1-x, è "normale", cioè essi si comportano allo stesso modo degli elettroni in un metallo non superconduttore. La frazione x è invece costituita da elettroni superconduttori, che hanno entropia nulla e si trovano quindi in uno "stato ordinato". La frazione x di elettroni superconduttori si riduce a zero per T=T_c ed è assunta da Gorter e Casimir crescere al diminuire della temperatura fino a raggiungere il valore 1 per T=0. Si comprese poi successivamente - ma solo con la teoria microscopica della superconduttività - che a T=0K la frazione degli elettroni superconduttori non raggiunge il 100%, piuttosto anche allo zero assoluto tale frazione è molto piccola, dell'ordine dello 0,0001%. (altro…)

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Il comportamento magnetico dei superconduttori

martedì, Novembre 16th, 2021

Riassumiamo alcuni aspetti fondamentali della superconduttività.

Essa si verifica in qualche decina di elementi, per lo più metalli, ed in una grandissima varietà di leghe e composti. Le temperature di transizione degli elementi vanno da qualche grado Kelvin fino a valori piccolissimi. Valori più alti, a volte ben più alti, si hanno fra i composti e le leghe.

La trasformazione allo stato superconduttore non è accompagnata da un calore di trasformazione. Esiste invece alla temperatura di transizione T_c una discontinuità del calore specifico con aspetto caratteristico del passaggio da una fase disordinata ad una ordinata. Per T > T_c l'andamento mostra la linearità caratteristica del calore specifico degli elettroni di conduzione. La curva nel suo complesso è molto simile a quella caratteristica della transizione dell'elio allo stato superfluido, che si può assimilare ad una condensazione di Bose-Einstein, cioè al passaggio di una frazione finita degli atomi in un unico stato e quindi con un'entropia (che è una misura del disordine) nulla.

Fu presto notato che applicando a un superconduttore un campo magnetico abbastanza intenso si può riportarlo allo stato normale. Il campo da applicare (campo critico H_c), deve essere tanto più intenso quanto più si scende con la temperatura al di sotto della temperatura critica T_c. Nei casi più semplici (superconduttori del 1° tipo) la dipendenza da T è una curva sensibilmente parabolica che raggiunge il suo apice all'ascissa T=0. In altri casi (superconduttori del 2° tipo) le cose si complicano per il formarsi di "stati intermedi" in cui il materiale presenta una struttura complessa con zone superconduttrici - spesso lamellari - frammiste a zone di conduzione normale.
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