Roberto Di Capua è ricercatore universitario in fisica sperimentale alla Facoltà di
ingegneria dell’Università degli studi del Molise, e associato alle ricerche dell’Istituto
SPIN del CNR, sede di Napoli. Interessi di ricerca e attività: superconduttività, fisica della
materia condensata, microscopia tunnel a scansione, ossidi per l’elettronica.
fisica della materia
Cento anni di
superconduttività
Marina Putti è professore associato all’Università di Genova e leader
dell’attività di superconduttività all’Istituto SPIN del CNR. Da vent’anni si
occupa dello studio dei materiali superconduttori ed è responsabile di
importanti progetti nazionali e internazionali.
Ruggero Vaglio è professore ordinario di fisica sperimentale all’Università «Federico II»
di Napoli e direttore dell’Istituto SPIN del CNR. Ha dato contributi rilevanti a livello
internazionale nello studio della superconduttività e dell’effetto Josephson. Attualmente
si occupa della fisica degli ossidi e di altri materiali innovativi per l’elettronica.
Osservata per la prima volta un secolo fa, la
superconduttività ha portato ad applicazioni
pratiche importanti, anche se il quadro
teorico del fenomeno è ancora incompleto
Sospeso nell’aria. Un disco di materiale
superconduttore raffreddato a bassissima
temperatura levita sopra un magnete.
La levitazione magnetica è uno dei fenomeni
più popolari dovuti alla superconduttività.
di Roberto Di Capua, Marina Putti
e Ruggero Vaglio
In breve
56 Le Scienze
515 luglio 2011
www.lescienze.it
Le Scienze Charles O’Rear/Corbis
Nel 1911 il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes osservò
per la prima volta il fenomeno della superconduttività, scoprendo
che la resistenza elettrica del mercurio si annullava alla
temperatura di 4,2 gradi kelvin, indicata come temperatura
critica. Negli anni seguenti il fenomeno fu osservato in diversi
metalli e leghe a temperature critiche differenti.
Nel 1957 tre fisici statunitensi svilupparono la cosiddetta teoria
BCS, con cui descrivere in modo sufficientemente dettagliato il
comportamento dei superconduttori noti a quel tempo.
Altra tappa fondamentale della superconduttività è il lavoro
teorico del 1962 di Brian David Josephson, sull’effetto che porta il
suo nome e che ha importanti ricadute applicative.
La scoperta di superconduttori ad alta temperatura critica,
avvenuta nel 1986, da una parte ha mostrato lacune nella
descrizione teorica del fenomeno, dall’altra ha portato a prototipi o
dispositivi commerciali. Oggi il mercato delle applicazioni della
superconduttività è di alcuni miliardi di euro all’anno.
57
C
mente alla temperatura di 4,2 gradi Kelvin (indicata come temperatura critica, Tc). In uno dei suoi esperimenti, Onnes fece passare corrente elettrica in un filo di mercurio mantenuto alla temperatura
di 4 gradi Kelvin, e un anno dopo verificò che nel filo ancora fluiva corrente, non sostenuta da alcuna differenza di potenziale, senza
che ci fossero state perdite significative. Per Onnes fu naturale parlare di stato superconduttivo e supercorrenti. Negli anni successivi il brusco azzeramento della resistenza fu osservato in diversi metalli e leghe, con diverse temperature critiche, sempre più alte, e la
corsa all’alta temperatura critica continua ancora oggi.
Presto fu chiaro che un superconduttore era qualcosa di più
complesso di un conduttore perfetto, in particolare per le sue «connessioni» con i campi magnetici. Nel 1933 Fritz Walther Meissner
e Robert Ochsenfeld scoprirono che un materiale nello stato superconduttivo si comporta da diamagnete perfetto, cioè «espelle» il
campo magnetico applicato dall’esterno.
L’osservazione non può essere spiegata in termini di mera conduzione perfetta, pensando a uno schermaggio realizzato da supercorrenti indotte dall’accensione del campo. Questa spiegazione
non regge, per il semplice motivo che dovrebbe funzionare simmetricamente nei due sensi: accendendo il campo magnetico a temperatura maggiore di Tc, nel rendere superconduttore il sistema, il
campo ormai penetrato dovrebbe rimanere
intrappolato+ all’inter+
+
+
+ si osserva
no anche spegnendo la sorgente esterna. Invece
l’espulsione del campo.
+
+
+
+
+
Un’altra prova sperimentale è che i campi magnetici tendono a
hiunque si interessi di scienza, anche solo per curiosità, ha sentito parlare del fenomeno della superconduttività, spesso anche
al centro di libri e film di fantascienza (ultimo esempio il popolarissimo Avatar). La superconduttività è un fenomeno fantastico e
straordinariamente «spettacolare» che porta
all’improvvisa modifica di una caratteristica dei metalli, la resistenza elettrica, che sembrerebbe (ed è sembrata nel secolo passato) intrinseca alla natura della conduzione elettronica.
I ricercatori sperimentali che operano nel settore della superconduttività provano sempre un strana emozione quando, abbassando la temperatura, vedono gli strumenti segnalare all’improvviso
che la resistenza elettrica è scomparsa. I ricercatori teorici invece
sono affascinati dal fatto che solo applicando le complesse equazioni della meccanica quantistica si può spiegare in modo compiuto il fenomeno. L’assenza di resistenza elettrica e altre caratteristiche eccezionali dello stato superconduttivo hanno generato molte
illusioni e speranze disattese, ma hanno anche portato a importanti realizzazioni di utilità pratica, non sempre conosciute.
Vincitori
Disciplina
Motivazione
1913
H.K. Onnes
Fisica
Per le sue ricerche sulle
proprietà della materia a
basse temperature e per la
liquefazione dell’elio
1972
J. Bardeen,
L.N. Cooper,
J.R. Schrieffer
Fisica
Per aver sviluppato la teoria
della superconduttività
(la teoria BCS)
1973
B.D. Josephson
Fisica
Per le sue previsioni
sulle proprietà di una
supercorrente attraverso
una barriera tunnel (effetto
Josephson)
la teoria bcs
1987
Fisica
Una spiegazione della superconduttività
J.G. Bednorz,
K.A. Müller
Per la scoperta della
superconduttività nei
materiali ceramici
1993
R.F. Curl Jr., H.W.
Kroto, R.E. Smalley
Chimica
Per la scoperta dei fullereni
2003
A.A. Abrikosov,
V.L. Ginzburg,
A.J. Leggett
Fisica
Per i contributi pionieristici
alla fisica della
superconduttività e della
superfluidità
Il fenomeno della superconduttività fu osservato per la prima
volta un secolo fa, nel 1911. In quell’anno il fisico olandese Heike
Kamerlingh Onnes (pioniere delle tecniche di liquefazione dell’elio)
scoprì che la resistenza elettrica del mercurio si annullava brusca-
Area distorta
+
+
+
+
Elettrone 1
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Elettrone 2
+
160
Ione positivo
sta applicativo, quindi, i valori di Jc sono importanti proprio come quelli di Tc.
Gli anni successivi videro il successo di alcuni sforzi per descrivere teoricamente la superconduttività. Si riconobbe che la superconduttività era legata al fenomeno della condensazione di Bose.
Per la maggior parte delle particelle elementari, quelle appartenenti alla categoria dei fermioni, vale il principio di Pauli, per cui due
particelle identiche in un sistema quantistico non possono trovarsi
nello stesso stato. I membri della famiglia dei bosoni, invece, non
seguono il principio di Pauli, e a bassa temperatura bosoni identici possono «condensare» tutti nello stesso stato. Gli elettroni sono fermioni, ma se due elettroni potessero «unirsi» costituirebbero
un bosone, e si può mostrare che dal punto di vista della conduzione un sistema di bosoni condensati può fluire con dissipazione
nulla. Sulla base di questi argomenti, nel 1957 tre fisici statunitensi, John Bardeen, Leon N. Cooper e John Robert Schrieffer proposero una teoria, la teoria BCS, in grado di descrivere in modo sufficientemente dettagliato il comportamento dei superconduttori noti
a quel tempo (si veda il box nella pagina a fronte).
Parallelamente alla teoria BCS, nel 1950 due fisici sovietici, Vitaly Lazarevich Ginzburg e Lev Davidovich Landau, proposero
un’altra teoria che porta il loro nome; tuttavia le due scuole non
ebbero modo di interagire in modo efficace, complice la guerra
fredda (locuzione quanto mai appropriata per questo campo), e i
due mondi restarono sostanzialmente separati. La teoria di Ginzburg-Landau spiegava alcune anomalie del comportamento delle
leghe superconduttive, in particolare la presenza di campi magnetici critici molto elevati. Figlia della teoria di Ginzburg-Landau è la
sorprendente derivazione e successiva scoperta dei cosiddetti «vortici di Abrikosov»: fenomeno di grande interesse concettuale, che
ha avuto impatto anche su altri campi della fisica.
Un’altra tappa storica fondamentale della superconduttività è il
lavoro teorico del 1962 di Brian David Josephson, fisico britannico, sull’effetto che porta oggi il suo nome. Josephson si chiese se
non solo gli elettroni «normali» ma anche le coppie di Cooper potessero attraversare per effetto tunnel una barriera isolante. La risposta, sorprendentemente, fu positiva, e pochi anni dopo la teoria
Un secolo di superconduttori
Ossido di rame, calcio,
bario e tallio
Superconduttori BCS
515 luglio 2011
Illustrazione di Tommy Moorman e Carli Morgenstein
Semplificando si può dire che la teoria BCS prevede che Tc dipenda da tre proprietà del materiale: il numero di elettroni che possono partecipare allo stato superconduttore (più è alto il numero
e più alta è Tc); le frequenze caratteristiche del
reticolo coinvolte nell’accoppiare gli elettroni in
coppie di Cooper (maggiore la frequenza, più alta
Tc); e la forza dell’accoppiamento tra le distorsioni del reticolo e gli elettroni (più forte è l’accoppiamento e più alta è Tc).
Temperatura (kelvin)
120
È la formazione di coppie di elettroni, chiamate coppie di Cooper, che porta alla
superconduttività. Un elettrone lascia nella sua scia una distorsione del reticolo di ioni
carichi positivamente di un metallo (a sinistra). Poco dopo il secondo elettrone viene
attratto dalla concentrazione di carica positiva risultante (a destra). Agli effetti pratici, gli
elettroni sono debolmente attratti l’uno verso l’altro.
+
+
+
+
+
sono coinvolte nell’accoppiamento le vibrazioni
+ frequenza,
del reticolo di una specifica
+
+
+ cioè i fo+
noni.) Un’analogia è quella di due persone che
saltano su un materasso: anche se non c’è attrazione diretta, tendono a rimbalzare l’una verso
l’altra per via della distorsione che si produce nel
materasso. Le coppie di Cooper si sovrappongono l’una all’altra e, al di sotto della temperatura
critica (Tc), formano uno stato elettronico esteso,
non più soggetto ad alcuna resistenza.
Ossido di rame, calcio,
bario e mercurio
140
Illustrazione di Lucy Reading-Ikkanda
Una delle domande chiave riguardo la superconduttività è: perché avviene? Vale a dire, quale
meccanismo o interazione provoca la transizione in questo nuovo stato? Nel 1957 i fisici John
Bardeen, Leon N. Cooper e J. Robert Schrieffer
proposero una spiegazione del meccanismo alla base della superconduttività dei metalli in una
teoria che porta le loro iniziali. In un metallo normale, non superconduttore, gli elettroni sono diffusi dai difetti e dalle imperfezioni, generando la
resistenza elettrica. Secondo la teoria BCS, la superconduttività avviene quando gli elettroni agiscono invece come un’unica entità collettiva che
si può muovere senza dispersione.
I blocchi di costruzione di questo nuovo stato elettronico sono coppie di elettroni, le coppie
di Cooper, i cui partner si attraggono debolmente l’un l’altro. Questa attrazione tra particelle della stessa carica, impossibile per le leggi
dell’elettrostatica classica, si ha perché il metallo è composto di ioni positivi, oltre che di elettroni. Quando un membro della coppia si muove
nel metallo, lascia nella sua scia una distorsione ionica carica positivamente. Questa temporanea carica positiva attrae un secondo elettrone.
In questo modo la distorsione del reticolo accoppia debolmente gli elettroni. (Più precisamente,
Le Scienze
I premi Nobel della superconduttività
Anno
Storia e fisica di un fenomeno
58 far sparire la superconduttività. Nella descrizione più semplice, un
campo magnetico al di sopra di un certo valore critico indicato come Hc (tanto più intenso quanto più la temperatura è inferiore a Tc)
riporta il superconduttore allo stato normale.
A questo fenomeno si lega anche il concetto di corrente critica.
Una corrente genera un campo magnetico, di conseguenza la stessa supercorrente può generare, se sufficientemente intensa (quindi, ancora una volta, al di sopra di un valore critico indicato come
Jc), il campo sufficiente a distruggere la superconduttività. Insomma: superconduciamo pure, ma senza esagerare… Dal punto di vi-
Superconduttori a base di ossido di rame
Superconduttori a base di ferro
Notte sulla Luna
Ossido di rame, calcio,
stronzio e bismuto
100
Ossido di rame,
bario e ittrio
80
Azoto liquido
60
SmFeAsO1-xFx
20
0
Diboruro
di magnesio
Ossido di rame,
stronzio e lantanio
40
Mercurio
1910
Piombo
1920
Nitruro
di niobio
Niobio
1930
1940
1950
Lega
niobio-stagno
1960
1970
Lega
niobio-germanio
1980
1990
Plutone
Neon liquido
LaFeAsO1-xFx
2000
Idrogeno liquido
Elio liquido
2010
Anno di scoperta
www.lescienze.it
Le Scienze 59
teorie incomplete
Il puzzle dei superconduttori ad alta temperatura
seguito del drogaggio, la carica si trasferisce nei
piani di CuO2 e il sistema cambia natura. A bassi
livelli di drogaggio (0,03 cariche elementari per
cella), l’ordinamento antiferromagnetico scompare, e si entra nella regione chiamata pseudogap in cui è stato osservato che la carica nei piani di CuO2 si ordina lungo strisce.
All’aumentare del drogaggio, il composto diventa superconduttore e arriva alla Tc massima per
drogaggi intorno a 0,16 cariche elementari per
cella. Aumentando ulteriormente il drogaggio, la
superconduttività scompare e il sistema diventa
un metallo convenzionale. Questa ricca fenomenologia è dovuta a una forte correlazione tra le
cariche nei piani di CuO2 che ha portato a diverse teorie per meccanismi esotici che sarebbero
all’origine della superconduttività. La correlazione fra elettroni non si manifesta nei metalli convenzionali in cui gli elettroni interagiscono debolmente tra loro e la superconduttività sembra
conseguenza dell’interazione con i fononi.
Dopo la scoperta dei superconduttori a base di
ferro ci si è convinti che la superconduttività ad
alta temperatura critica potrebbe essere generata dall’interazione degli elettroni con le onde di
spin (invece che con i fononi) che si trovano nel
sistema come conseguenza del fatto che il composto genitore è un antiferromagnete.
di Josephson fu verificata sperimentalmente con grande precisio- rio e mercurio, con Tc = 165 gradi kelvin sotto pressione). Nel 1987,
ne. Quel risultato fu raggiunto anche grazie al lavoro di scienzia- ad appena un anno dalla scoperta, Bednorz e Müller ricevettero il
ti italiani, in particolare della «scuola napoletana», a cui si deve tra premio Nobel per la fisica. Questo riconoscimento a tempo di rel’altro il più completo libro specialistico a livello internazionale cord dimostra che l’impatto della scoperta fu immediato e ampio.
sull’argomento, citato alla fine di questo articolo.
Le conseguenze attese erano di natura fondamentale, perché il
La massima corrente di coppie che può fluire senza caduta di fenomeno non poteva essere compreso all’interno delle teorie esitensione dipende fortemente, con un caratteristico andamento si- stenti e ci si aspettava lo sviluppo di ambiti interpretativi completanusoidale, dal campo magnetico esterno. Per questo motivo l’effet- mente nuovi, e di natura tecnologica, visto che la possibilità di rafto Josephson ha anche importanti ricadute sul piano applicativo.
freddare un superconduttore con azoto liquido, che bolle a 77 gradi
La «scuola napoletana», attiva dagli anni settanta al CNR (Isti- kelvin, apriva potenzialità applicative non esplorate con l’elio lituto di cibernetica «Edoardo Caianiello» e, oggi, Istituto supercon- quido, molto più costoso e raro. Infine, aver provato che la superduttori, materiali innovativi e dispositivi: SPIN) e
conduttività non è solo un fenomeno delle basse
Nel 1986, la
all’Università «Federico II» di Napoli, resta tra le
temperature riapriva le speranze per ottenere il fepiù rilevanti a livello internazionale per lo studio
nomeno a temperatura ambiente. Purtroppo dopo
scoperta di
dell’effetto Josephson e delle sue applicazioni.
un quarto di secolo dobbiamo ammettere che nessuperconduttori suna di queste aspettative è stata realizzata.
Una rivoluzione incompiuta
Nonostante l’enorme sforzo teorico e speriad alta
mentale per arrivare a una teoria completa dell’alAlla fine degli anni ottanta, la ricerca legata alla superconduttività era in fase di stallo. La teoria temperatura ha ta temperatura critica, i meccanismi alla base della
superconduttività negli ossidi sono ancora un miBCS aveva previsto che la massima temperatura
dato nuovo
stero (si veda il box in questa pagina), e nonostante
critica raggiungibile fosse di 30 gradi kelvin, non
vigore a un
gli ingenti sforzi economici pubblici e privati indilontana da quella dei superconduttori intermetalcampo di
rizzati allo sviluppo di materiali pratici, le applicalici scoperti negli anni sessanta. Questo era vero
sono ancora di nicchia. Una caratteristica dei
per un accoppiamento tra elettrone e fonone (cioè
ricerca che era zioni
superconduttori ad alta temperatura critica che acil quanto di vibrazione in un solido). Ma meccain fase di stallo comuna questi due «fallimenti» è la complessità dei
nismi più esotici, anche se previsti dalla teo­ria,
composti. A una complessità strutturale notevole
non erano ancora stati messi in evidenza in modo chiaro, e comunque non avevano prodotto temperature criti- si accompagna una ricchezza di fenomeni che si verificano nella stessa famiglia di composti (superconduttività, antiferromagneche elevate.
Questo spiega il terremoto che nel 1986 colpì la comunità scien- tismo, ordinamento di carica) e che possono cooperare o essere in
tifica, dopo la scoperta da parte del fisico tedesco Johannes Georg conflitto. E che comunque arricchiscono e allo stesso tempo comBednorz e del fisico svizzero Karl Alexander Müller della supercon- plicano qualunque schema interpretativo.
D’altra parte, la chimica complessa e la struttura anisotropa renduttività a una temperatura critica di 34 gradi kelvin nel composto
La2–xBaxCuO4. In rapida successione furono scoperti nuovi super- dono estremamente difficile la realizzazione di campioni con proconduttori della famiglia degli ossidi a base di rame o, come venne- prietà omogenee a grande scala, come invece richiede la maggior
ro definiti, superconduttori ad alta temperatura critica (high-tempe- parte delle applicazioni. A questo si aggiungono problematiche inrature superconductor, HTS), con Tc sempre più elevate. Tra questi, i trinsecamente legate all’alta temperatura critica e alla piccola lunpiù famosi sono: YBCO (composto da ossido di rame, bario e ittrio, ghezza di coerenza, cioè alla separazione spaziale degli elettroni in
Tc = 92 gradi kelvin), BSCCO (ossido di rame, calcio, stronzio e bi- una coppia di Cooper, che determina la capacità di una corrente susmuto, Tc = 110 gradi kelvin) e BHgCCO (ossido di rame, calcio, ba- perconduttiva di essere trasmessa da un grano cristallino all’altro.
60 Le Scienze
515 luglio 2011
Piccole, grandi applicazioni.
Immagine al microscopio elettronico a scansione
di uno SQUID. Questo dispositivo, basato sulla
superconduzione, è uno degli strumenti più
sensibili nella misurazione di campi magnetici.
d i b o r u r o d i m a g n e si o
Un’eccellenza italiana
David Scharf/SPL/Contrasto (SQUID); cortesia Columbus Superconductors (MRI);
cortesia A. Palenzona, P. Manfrinetti, V. Braccini, brevetto INFM (cristallo MgB2)
I superconduttori ad alta temperatura critica
(HTS) hanno una struttura complessa e fortemente anisotropa. La cella elementare ha fino a
19 atomi, ed è composta da piani conduttori di
CuO2 (uno degli ossidi del rame) alternati a strati
isolanti. La temperatura critica (Tc) è collegata alla complessità della struttura: cresce all’aumentare dei piani di CuO2 per cella.
I superconduttori ad alta temperatura critica hanno anche un diagramma di fase molto ricco. Il
composto non drogato, chiamato composto genitore, è un isolante in cui i momenti magnetici associati al rame si ordinano in modo antiferromagnetico (alternanza di polarità nord-sud). A
Nel 2001 Jun Akimitsu, fisico dell’Aoyama Gakuin University di Shibuya, scopre la superconduttività a 40 gradi kelvin nel diboruro di magnesio
(MgB2). Anche se non ha una temperatura critica molto elevata, come invece hanno gli HTS, il diboruro di magnesio può essere raffreddato con un
criogeneratore (macchina frigorifera) e quindi non richiede l’impiego di elio,
raro e costoso, come liquido refrigerante.
I ricercatori dell’Universita di Genova e dell’INFM-LAMIA (oggi CNR-SPIN)
sono in prima fila sia nelle ricerche di base su questo nuovo materiale sia
nei brevetti di tecniche di sintesi innovative di MgB2 in forma di bulk e in forma di filo per il trasporto di corrente. Da questa esperienza è nato Columbus Superconductors, spin-off dedicato allo studio e all’industrializzazione di cavi in diboruro di magnesio, che nel 2004 ha prodotto un cavo lungo
1,6 chilometri. È un primato mondiale: nessuno dei giganti della superconduttività internazionale era riuscito in un’impresa simile. Da queste ricerche
emergono possibilità applicative concrete nel settore della risonanza magnetica (MRI). Nel 2006, a soli cinque anni dalla scoperta di Akimitsu, in Italia è realizzato il primo prototipo al mondo di MRI basato sull’MgB2 e i primi
esemplari oggi sono installati in diversi ospedali. Una nuova sfida riguarda le applicazioni di MgB2 nel campo dell’energia, in cui probabilmente è il
materiale più promettente tra i superconduttori ad alta temperatura. La ricerca italiana, in collaborazione con la nostra industria, sarà in prima linea.
Questi 25 anni tuttavia non sono passati invano. Anzi, hanno
prodotto una fioritura di nuove tecniche di sintesi sperimentali e
modelli teorici espressamente sviluppati per lo studio dei superconduttori ad alta temperatura critica. E se la superconduttività a
temperatura ambiente non è stata ancora scoperta, il nuovo millennio si è aperto con due nuove entusiasmanti scoperte.
Nel 2001 in Giappone è stata scoperta la superconduttività a 40
gradi kelvin nel diboruro di magnesio (MgB2). Si tratta di un semplice composto binario, e il meccanismo di accoppiamento è di natura elettrone-fonone. Vista la relativa semplicità del composto, la
comunità scientifica internazionale, con un ruolo molto rilevante
svolto dall’Italia (si veda il box in questa pagina), ha indagato rapidamente le sue proprietà, grazie a sofisticate tecniche sperimentali
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Risonanza
innovativa.
È realizzato da ASG
Superconductors,
Paramed e Columbus,
lo strumento per MRI
a base di diboruro
di magnesio super–
conduttore (sopra).
e a solidi modelli interpretativi. Tuttavia anche MgB2 ha le sue
stranezze. La temperatura critica di 40 gradi kelvin è troppo alta
in uno schema puramente BCS, e prove sperimentali mostrano, per
la prima volta, non uno, ma due gap (cioè due bande proibite) di
energia. Le teorie sviluppate spiegano che le alte frequenze fononiche (il boro è molto leggero) e la presenza di più bande ottimizzano la temperatura critica e fanno emergere la natura a due gap.
Rispetto agli HTS, la strada è in discesa anche dal punto di vista applicativo. La semplice chimica, la facile reperibilità dei costituenti, la metallicità e duttilità del composto, la lunghezza di
coerenza sufficientemente elevata hanno permesso la realizzazione a tempo di record di chilometri di filo superconduttore, e poi
dei primi magneti per MRI asciutti (cioè che operano in assenza di
Le Scienze 61
Treno da primato.
Il Superconducting Maglev Shinkansen,
che nel 2003 ha viaggiato a 581
chilometri all’ora, record ancora intatto.
Mercato globale per la superconduttività
5
Miliardi di euro
4
Le Scienze
2
0
2007
515 luglio 2011
2011
2013
Elettronica
Imaging a risonanza magnetica
Superconduttori a bassa temperatura
Larga scala
Superconduttori ad alta temperatura
Scenari futuri
Attualmente il mercato delle applicazioni della superconduttività è dominato dalle applicazioni a larga scala che usano superconduttori metallici tradizionali o MgB2, in particolare i sistemi
MRI, ed è di 4,5 miliardi di euro (si veda il grafico in questa pagina). Secondo alcuni studi del Department of Energy degli Stati Uniti, nei prossimi vent’anni questo volume di affari potrebbe
decuplicare, come conseguenza del crescente fabbisogno di energie sostenibili, grazie all’adozione di applicazioni con cui ridurre
gli sprechi, all’uso di reti di trasmissione pulite, affidabili e intelligenti e allo sfruttamento di fonti di energia rinnovabili e non inquinanti. Molti esempi concreti sono già stati realizzati, tra cui i
cavi per il trasporto di energia senza dissipazione, dispositivi per
immagazzinamento di energia, limitatori di corrente, motori e generatori ad alta efficienza. Riguardo le energie rinnovabili, è in
fase di sviluppo la nuova turbina eolica MagLev Wind Turbine,
ideata in Cina, che sfruttando la levitazione magnetica è in grado di produrre fino a un gigawatt di potenza, l’equivalente di almeno 60 turbine tradizionali, con un impatto ambientale molto
più contenuto.
Un altro esempio su cui il mondo scientifico e tecnologico ha
già investito moltissimo è il prototipo di reattore a fusione nucleare ITER, progetto multinazionale, in costruzione in Francia. ITER
è basato sul concetto di confinamento magnetico di un plasma
di deuterio e trizio surriscaldati. Questo confinamento è realizzato con campi magnetici estremamente potenti, che possono essere
generati soltanto da magneti superconduttori (solo per la realizzazione di ITER saranno necessari 80.000 chilometri di cavo composto da Nb3Sn, una lega di niobio e stagno). Se il prototipo avrà
successo, si aprirà la strada alla realizzazione di centrali a fusione
nucleare, più sicure e pulite delle attuali centrali a fissione, che richiederanno quantità enormi di cavi superconduttori.
www.lescienze.it
2009
Ricerca e sviluppo tecnologico
del cervello e di localizzarli per scopi diagnostici, sono essenziali
per la ricerca di frontiera in questo settore. Anche qui tra gli istituti
più importanti al mondo c’è un’eccellenza italiana, rappresentata
dall’Istituto di tecnologie avanzate biomediche di Chieti.
Grafico di Danilo Sossi; fonte dati: Conectus
tano di grandi correnti di alimentazione: basti pensare che un superconduttore può trasportare una corrente migliaia di volte più
grande rispetto alla corrente trasportata da un comune filo di rame. I magneti superconduttori sono usati nei laboratori di ricerAspettative e realizzazioni
ca e negli ospedali, visto che sono parte integrante degli apparati
Le magiche proprietà dei superconduttori – ovvero resistenza di imaging a risonanza magnetica (MRI). Inoltre i magneti superzero, diamagnetismo perfetto ed effetto Josephson – hanno per- conduttori sono ampiamente usati nella fisica delle alte energie sia
messo di concepire e realizzare diversi dispositivi con applicazioni per focalizzare e accelerare i fasci di particelle negli acceleratori sia
nel campo dell’elettrotecnica e dell’elettronica a larga scala, in ge- per i rivelatori delle particelle stesse. Come esempio, nella costrunere denominate applicazioni di potenza, e applicazioni elettroni- zione dell’LHC del CERN, terminata nel 2009, sono stati realizzati
1232 magneti che hanno richiesto 7600 chilometri di cavo superche a piccola scala.
conduttore: tenendo conto che il cavo è composto
Tra le applicazioni di potenza citiamo i magneti per la generazione di campi magnetici estrema- Le proprietà dei di trecce di filamenti, è stato necessario filo supermente intensi, le cavità risonanti per l’accelerazio- superconduttori conduttore per una lunghezza complessiva astronomica: oltre cinque volte la distanza di andata e
ne di particelle, i cavi per il trasporto di energia,
hanno portato ritorno dalla Terra al Sole.
dispositivi per la generazione e l’immagazzinamenRiguardo le applicazioni su piccola scala, i
to di energia, limitatori di corrente, motori meccaad applicazioni
componenti a microonde basati su superconduttonici, sistemi di trasporto (per esempio treni) e turbiinnovative a
ri hanno avuto un certo successo e potranno averne eoliche basati sulla levitazione magnetica. Tutti
questi dispositivi offrono vantaggi enormi se con- grande e piccola ne in futuro. I superconduttori mostrano infatti
di gran lunga inferiori rispetto a quelle dei
frontati con gli stessi modelli realizzati con matescala, da treni a perdite
conduttori convenzionali anche alle alte frequenriali convenzionali. Questi dispositivi beneficiano
levitazione
ze. Sfruttando questa caratteristica è possibile proinfatti dell’assenza di dissipazione e/o dell’assenfiltri, antenne e altri componenti attivi e
za di attrito, ma hanno un grande svantaggio: dea componenti gettare
passivi ad alte prestazioni. In particolare, i filtri suvono essere raffreddati alla temperatura di lavoro
per l’elettronica perconduttori hanno un’applicazione interessante
del superconduttore, il che per la maggior parte dei
nella telefonia cellulare, con circa 1000 sistemi incasi significa un raffreddamento alla temperatura
dell’elio liquido. Ciò implica che allo stato attuale la maggior parte stallati con successo in stazioni base di telefonia, soprattutto negli
dei dispositivi è ancora a livello di studio o di prototipo per verifi- Stati Uniti, e nelle applicazioni di comunicazioni satellitari.
Ma le applicazioni «elettroniche» principali sono quelle collegate
carne la reale maturità e competitività economica, e solo quelli che
«non possono fare a meno» del superconduttore sono già da tempo all’effetto Josephson e in particolare agli SQUID (superconducting
quantum interference device, dispositivi superconduttori a interfeampiamente commercializzati.
Tra i primi, l’esempio che più colpisce la fantasia è il treno a le- renza quantistica), strumenti insostituibili per la ricerca avanzata
vitazione magnetica Superconducting Maglev Shinkansen che dal collegata alla misurazione di campi magnetici deboli, in particola2003 ha il record di massima velocità raggiunta con uomo a bor- re quelli prodotti dall’attività biologica (biomagnetismo). Complesdo, 581 chilometri all’ora, correndo su una linea dimostrativa. Tra i se apparecchiature SQUID, dotate di centinaia di sensori in grado
secondi ci sono i magneti a elevato campo magnetico che necessi- di misurare i piccolissimi segnali magnetici prodotti dall’attività
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Hashimoto Noboru/Corbis Sygma
elio liquido), italiani per giunta, già oggi in commercio. Lo sforzo complessivo di ricerca di base sull’MgB2 è stato tanto intenso che a pochi anni dalla sua scoperta, i ricercatori erano già quasi senza lavoro! Ma nel 2008 è arrivata una nuova sfida, sempre
dal Giappone. Il gruppo di Hideo Hosono, del Tokyo Institute of
Technology, alla ricerca di materiali fotosensibili, ha scoperto la
superconduttività a 25 gradi kelvin nel LaFeAsO1-x Fx.
La comunità scientifica, con l’aggiunta della Cina che per la prima volta entra massicciamente in campo, si arma e nel giro di pochi mesi la temperatura critica cresce fino a 55 gradi kelvin nel
composto SmFeAsO1–xFx. Vengono scoperte fino a cinque famiglie di composti diversi che hanno tutte in comune piani di atomi di ferro correlati all’arsenico o al selenio. Si apre così l’era dei
superconduttori a base di ferro. Perché questi materiali sono interessanti? Innanzitutto la superconduttività avviene in un composto del ferro, l’elemento magnetico per antonomasia, che quindi si
dovrebbe opporre al fenomeno (in realtà in questi composti il ferro si comporta in modo antiferromagnetico, e quindi non determina un magnetismo netto). Inoltre questi composti mostrano numerose analogie con i superconduttori ad alta temperatura: chimica
complessa, struttura cristallina a strati, simile diagramma di fase in
funzione del drogaggio, coesistenza di antiferromagnetismo e superconduttività, piccola lunghezza di coerenza. Possiamo quindi
sperare che lo studio di questi composti aiuterà a decifrare il mistero della superconduttività ad alta temperatura critica e le sue conseguenze in ambito applicativo.
anni
Nel campo delle applicazioni elettroniche, lo sviluppo più interessante e innovativo è collegato all’uso di dispositivi superconduttori per schemi innovativi di calcolo basati sui paradigmi della meccanica quantistica. I superconduttori sono infatti sistemi
quantistici macroscopici «naturali», e sono candidati ideali come
bit quantistici per le nuove generazioni del calcolo avanzato. I
progressi tecnologici devono però essere accompagnati da un corrispondente sviluppo e comprensione di materiali e meccanismi
nuovi. Attualmente infatti il costo della refrigerazione è l’ostacolo
più serio all’applicazione delle tecnologie superconduttive.
Dopo avere infranto i limiti che la teoria BCS aveva imposto
alla massima temperatura critica ottenibile, grazie alla scoperta
dei superconduttori ad alta temperatura, sappiamo che la superconduttività a temperatura ambiente potrebbe anche realizzarsi.
Ma è altrettanto chiaro che sarebbe un fenomeno diverso da quello che si manifesta a bassa temperatura. Diventa quindi cruciale indagare sulle implicazioni che meccanismi non convenzionali
possono avere sulle proprietà superconduttive e prepararsi ad affrontarle avvalendosi dei recenti sviluppi nelle nanoscienze e nelle
nanotecnologie, di nuovi strumenti teorici di calcolo e di approcci
innovativi della fisica della materia.
n
per approfondire
A Modern, but Way too Short History of the Theory of Superconductivity at a
High Temperature. Zaanen J., in 100 years of superconductivity, di Rochalla H. e Kes
P.H. (a cura), Chapman & Hall ,2011.
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63, n. 9, pp. 38-43, settembre 2010.
High-Temperature Superconductivity in Iron-Based Materials. Paglione J. e
Greene R.L., in «Nature Physics», Vol. 6, pp. 645-658, 29 agosto 2010.
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in Physics», Vol. 71, n. 11, p. 116501, 5 novembre 2008.
Large Transport Critical Currents in Unsintered MgB2 Superconducting Tapes.
Grasso G., Malagoli A., Ferdeghini C., Roncallo S., Braccini V., Siri A.S. e Cimberle M.R.,
in «Applied Physics Letters», Vol, 79, n. 2, p. 230, 2001.
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Physics and Applications of the Josephson Effect. Barone A. e Paternò G., J.
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Le Scienze 63
