Introduzione alla superconduttività e ai materiali superconduttori

giovedì, Ottobre 21st, 2021

superconduttività,materiali superconduttori


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.

superconduttività,materiali superconduttori

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.
(altro…)