Le Meraviglie della Superconduttività
Paolo Tripodi
25 febbraio 2006
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LA STRUTTURA DELLA MATERIA
DENSITA
SOLIDO
LIQUIDO
GASSOSO
PLASMA
VUOTO
STATO
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LA STRUTTURA DELLA MATERIA
RESISTENZA
ISOLANTE
DIELETTRICO
SEMICONDUTTORE
CONDUTTORE
SUPERCONDUTTORE
SOLIDO,LIQUIDO,GASSOSO
STATO
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l
R
S
0 1 H m
1
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SCOPERTA DELLA SUPERCONDUTTIVITA’
Nel 1908 gli studi sulle bassissime
temperature condotte dal fisico
olandese lo portarono a liquefare
l'elio (He), ultimo tra i gas inerti ad
essere condensato arrivando a 4 K.
Solo pochi millilitri di He furono
liquefatti ma si aprì la strada
all'esplorazione di regioni di
temperatura mai raggiunte. Il fisico
olandese cominciò ad investigare le
proprietà elettriche dei metalli a
temperature molto basse e nel 1911
la superconduttività fu scoperta per
la prima volta.
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Heike Kamerlingh Onnes
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Le ipotesi volte a spiegare il fenomeno erano due:
Elettroni congelati
Valore minimo della resistenza
Onnes fece passare una corrente attraverso un filo di mercurio
purissimo misurando la resistenza al diminuire della temperatura. Non
si osservò né il livellamento in basso della resistenza né tanto meno il
congelamento degli elettroni. A 4.2 K la resistenza scomparve
totalmente.
Onnes: il mercurio è passato in un nuovo stato che in base alle
straordinarie proprietà elettriche può essere indicato come stato
superconduttivo.
In uno dei suoi esperimenti Onnes fece passare corrente elettrica in
una spira di mercurio raffreddata a 4 K. Un anno dopo la corrente
ancora fluiva nel filo senza perdite misurabili. Onnes trovò che i
superconduttori permettono l'esistenza di quelle che lui chiamò correnti
persistenti, cioè correnti elettriche che continuano a fluire senza una
differenza di potenziale che le sostenga. Nel 1913 vinse il premio
Nobel per la Fisica.
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Nei metalli, gli atomi mettono in comune alcuni elettroni del guscio più
esterno, comportandosi come ioni positivi. Gli elettroni, quando sono
soggetti ad una differenza di potenziale, possono muoversi all'interno
della struttura cristallina del metallo generando una corrente elettrica. La
resistenza offerta da un metallo al passaggio della corrente elettrica
corrisponde, a livello microscopico, ad una serie continua di urti tra
elettroni, praticamente liberi, ed ioni del reticolo, che oscillano attorno
alle posizioni reticolari (kT) con una frequenza tanto maggiore quanto più
alta è la temperatura. Se iniziamo a raffreddare un metallo, di fatto
riduciamo l'agitazione termica degli ioni attorno alle loro posizioni di
equilibrio, e questo comporta una diminuzione della resistenza offerta al
passaggio degli elettroni. Tuttavia la resistenza non dovrebbe mai
diventare nulla, perché gli elettroni urterebbero contro gli ioni anche se
questi fossero immobili.
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UNA NUOVA SCOPERTA
Ma anche un'altra caratteristica dello
stato superconduttivo sbalordì gli
studiosi del tempo. Nel 1933 il fisico
tedesco scoprì che i superconduttori,
oltre ad essere perfetti conduttori di
elettricità, sono anche dei perfetti
materiali diamagnetici, capaci cioè
di espellere il flusso magnetico che è
intrappolato nel materiale quando
vengono raffreddati al di sotto della
propria temperatura di transizione.
Karl Walter Meissner
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Un campo magnetico è, in sostanza, una deformazione dello spazio dal punto
di vista elettrostatico. Un campo magnetico è la naturale manifestazione di
una particolare classe di materiali chiamati ferromagnetici. Esso può essere
anche generato da una corrente elettrica che fluisce all'interno di un
conduttore. In tal caso viene più propriamente detto campo elettromagnetico.
Un qualunque conduttore che immerso in un campo magnetico esterno non
induce cambiamenti nel campo magnetico stesso e si oppone alla crescita del
campo al suo interno, è detto diamagnetico. Quando poniamo un
superconduttore raffreddato sotto Tc entro un campo magnetico, esso si
comporta proprio da diamagnetico. Infatti, in un sottile strato interno, ma
prossimo alla superficie, si generano "supercorrenti" che schermano il campo
magnetico e gli impediscono di penetrare.
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Questa capacità si mantiene fino a un certo campo magnetico
critico Bc, oltre il quale il superconduttore perde in ogni caso le
sue due proprietà fondamentali: resistenza nulla e diamagnetismo
"perfetto". Per tutti i superconduttori esiste una regione di
temperature critiche e campi magnetici critici all'interno della quale
superconducono.
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LE SPIEGAZIONI TEORICHE
I modelli quantistici sviluppati
negli anni ‘30 spiegavano la
conduttività nei metalli normali
ma non la superconduttività.
Nel 1957 tre fisici americani
svilupparono un modello per la
comprensione dei fenomeni
fisici microscopici nello stato
superconduttivo. Il modello John Bardeen Leon Cooper John Schrieffer
quantistico prevede che in un
superconduttore gli elettroni Secondo questo modello gli elettroni di
condensino in uno stato conduzione si propagano senza incontrare
quantistico di energia minima e resistenza perché si muovono in coppie, le
viaggino collettivamente e cosiddette coppie di Cooper. Nel 1972 vinsero
il premio Nobel per la Fisica (teoria BCS).
coerentemente.
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Quando un elettrone passa nelle vicinanze di ioni positivi, questi ultimi
vengono attratti e si spostano leggermente dalle loro posizioni di
equilibrio andando verso di esso. Non appena l'elettrone è passato oltre,
gli ioni tornano indietro, velocemente ed elasticamente, verso le proprie
posizioni originarie. In alcuni materiali, quando raffreddati al di sotto
della loro Temperatura critica, gli ioni positivi non tornano
immediatamente nelle loro posizioni originarie dopo il passaggio di un
elettrone. Secondo la teoria BCS, questo fa sì che localmente si abbia un
addensamento di carica ionica positiva che è in grado di attrarre un
secondo elettrone posto nelle immediate vicinanze. Una volta catturato,
questo elettrone seguirà la deformazione reticolare indotta dal primo, e i
due elettroni si comporteranno di fatto come una coppia legata con spin
totale nullo (coppia di Cooper) in moto nel cristallo, ignorando la
reciproca repulsione coulombiana.
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Il meccanismo di formazione delle coppie può essere
assimilato a quello per cui due sfere di piombo, poste su un
materasso, tendono a convergere nello stesso punto, sfruttando
la deformazione del materasso sottostante. Le coppie di
Cooper sono molto instabili e si formano e disfano
continuamente all'interno del cristallo. Di fatto non urtano
contro gli ioni del reticolo perché è il reticolo stesso che,
deformandosi a livello microscopico, crea spazio per il moto
dei due elettroni legati: il cristallo presenta, quindi, resistenza
nulla.
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LE MERAVIGLIE NON FINISCONO
Nel 1962, Il neo ricercatore di Cambridge,
studiò due superconduttori separati da un sottile
strato di materiale isolante che agisce da
barriera al flusso di corrente. Scoprì che queste
possono passare per effetto tunnel attraverso la
barriera senza dividersi. La corrente critica,
vale a dire la supercorrente massima che può
attraversare la giunzione, dipende dalla
dimensione della giunzione, dal tipo di
materiale superconduttore e dalla temperatura.
Questo fenomeno (effetto Josephson) fu
verificato alcuni mesi più tardi da Philip W.
Anderson e John M. Rowell dei Bell Telephone
Laboratories. Nel 1973 Josephson ricevette il
premio Nobel per la Fisica per poi scomparire.
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Brian D. Josephson
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0 2.067 *1015 Wb
108Wb 1Gcm2
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ANCORA MERAVIGLIE
Nel 1986 due ricercatori dei laboratori IBM di
Zurigo studiando una particolare classe di
ceramiche a base di ossido di rame (perovskiti),
con centinaia di differenti composti ossidi e
con ceramiche di lantanio, bario, rame e
ossigeno essi trovarono evidenze di
superconduttività a 35K. Subito la comunità
scientifica cominciò a lavorare con i nuovi
materiali che si candidavano ad essere una
nuova classe di superconduttori.
Nel febbraio del 1987 fu individuata una
ceramica perovskite in grado di supercondurre
a 90 K. Questa scoperta fu molto importante in
quanto da quel momento divenne possibile
usare come mezzo refrigerante l'azoto liquido
(punto di ebollizione: 77K).
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J. G. Bednorz
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K. A. Müller
superconduttori ad alta
temperatura critica (HTSC).
Nobel per la Fisica nel 1987
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Le ricerche sulla superconduttività portarono ad una classificazione dei
materiali superconduttori in due tipi, quelli di tipo I e quelli di tipo II. I
superconduttori di tipo I tendono ad essere superconduttori in condizioni di
bassa temperatura e debole campo magnetico. Se il campo raggiunge
l'intensità critica, che dipende dal materiale, esso entra nel materiale
distruggendo lo stato di superconduzione. I superconduttori di tipo II
rimangono nello stato di superconduzione anche dopo la penetrazione del
campo magnetico. I superconduttori di tipo II possono sopportare campi
molto forti e quindi trasportare correnti più intense.
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Le classi di superconduttori di tipo I e tipo II si possono
distinguere facendo riferimento a due importanti caratteristiche:
la lunghezza di coerenza e la lunghezza di penetrazione. La
lunghezza di coerenza è la separazione spaziale degli elettroni
all'interno di una coppia di Cooper, cioè le dimensioni medie
della coppia. Nei superconduttori convenzionali, la lunghezza di
coerenza può andare da alcune decine ad alcune centinaia di
nanometri. La lunghezza di penetrazione è relativa all'effetto
Meissner: le correnti indotte che creano il campo magnetico che
si oppone a quello esterno applicato cancellandolo dall'intero
materiale, decadono esponenzialmente in intensità all'aumentare
della distanza dalla superficie del superconduttore; la distanza
lungo la quale avviene questo decadimento è proprio la
lunghezza di penetrazione. Nei superconduttori convenzionali
essa può andare da qualche decina fino a qualche migliaio di
nanometri.
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TIPO I
I superconduttori di tipo I sono basso-fondenti e fisicamente teneri. In
questi materiali la lunghezza di coerenza è maggiore della profondità di
penetrazione, di conseguenza questi materiali tendono ad essere
superconduttori in condizioni di bassa temperatura e debole campo
magnetico. Se il campo raggiunge l'intensità critica, entra nel materiale
distruggendo lo stato di superconduzione.
Il mercurio, che è stato il primo metallo superconduttore scoperto, è un
esempio di superconduttore del I tipo. La sua temperatura critica ha lo
storico valore di 4.2 K.
Dato che nel caso dei superconduttori di tipo I la superconduzione
scompare in presenza di campi abbastanza modesti, questi materiali
presentano uno scarso interesse dal punto di vista tecnologico.
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TIPO II
I superconduttori di tipo II sono tecnologicamente molto più utili. La profondità
di penetrazione in questi materiali è maggiore della lunghezza di coerenza e
pertanto essi rimangono nello stato di superconduzione anche dopo la
penetrazione del campo magnetico. I superconduttori di tipo II possono
sopportare campi molto forti e quindi trasportare correnti più intense. Tutti i
superconduttori di interesse tecnologico sono di questo tipo.
Negli anni '50 A. Abrikosov pubblicò la teoria di base sul comportamento di un
superconduttore convenzionale di tipo II in presenza di campo magnetico.
Partendo dal lavoro di Ginzburg e Landau, Abrikosov riuscì a dimostrare che il
comportamento magnetico di un superconduttore di tipo II al di sotto della
temperatura critica dipende dalla intensità del campo magnetico applicato e dalla
temperatura.
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Tc
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UNA PICCOLA DIMOSTRAZIONE
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92K
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105K
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APPLICAZIONI
Nonostante non siano
ancora
stati
trovati
materiali superconduttori
a temperatura ambiente,
molte applicazioni sono
già state realizzate con i
superconduttori noti, sia
per
testarne
le
potenzialità, che per gli
indubbi vantaggi che si
ottengono
nel
loro
impiego.
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BIOMAGNETISMO
Il biomagnetismo è
certamente un'altra
area di interesse
applicativo per i
superconduttori. La
medicina richiede
sempre più tecniche
non invasive per
determinare lo stato
di salute degli
organi nel corpo
umano.
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MRI
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TRASPORTO DI ENERGIA
La prima applicazione che
viene
in
mente
è
sicuramente quella della
trasmissione di energia
senza perdite. Grazie alla
superconduttività, infatti, è
possibile trasportare una
enorme quantità di energia
con dimensioni del mezzo
trasportatore relativamente
piccole.
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TRASPORTO DI “MATERIA”
La levitazione magnetica è
una delle grandi possibilità
offerte dai superconduttori: i
treni, ad esempio, possono
essere fatti levitare su potenti
magneti a superconduttore,
riducendo così i problemi di
attrito
e
raggiungendo
velocità
elevate
con
bassissimo dispendio di
energia.
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500 Km/h
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Fonti elettroniche
http://www.chimica.unige.it/ferretti/superconduttivit/sitosup/
http://www.cib.na.cnr.it/sucry/sucry3/sds/sommario.html
http://www.lescienze.it/
http://www.owlnet.rice.edu/~hkic/superconductors/
http://www.physics.carleton.ca/courses/75.364/mp-2html/mp-2html.html
http://www.physics.uq.edu.au/people/brake/
http://www.physnet.uni-hamburg.de/home/vms/reimer/htc/contents.html
http://www.superconductors.org/
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