Dossier OggiScienza
Superconduttori
SUPERCONDUTTORI
Il dossier è articolato nelle seguenti sezioni:
Articoli
Glossario
Competenze
Collegamenti interdisciplinari
Ulteriori risorse online
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Articoli
Articolo di Veronica Nicosia, pubblicato su OggiScienza
Strani fenomeni nella materia esotica: il
Nobel a superconduttività e superfuidi
Segui il link per leggere l’articolo direttamente sul sito di OggiScienza
https://oggiscienza.it/2016/10/05/nobel-fisica-superconduttivita-topologia/
APPROFONDIMENTO – Nella materia accadono cose strane. O meglio, esistono stati
inusuali che conferiscono alla materia allo stato quantistico particolari proprietà, che hanno
applicazioni importantissime sia a livello di ricerca di base, sia per lo sviluppo delle
tecnologie del futuro. Applicazioni che arrivano grazie alle geniali intuizioni di tre scienziati
britannici che il 4 ottobre sono stati insigniti del premio Nobel 2016 per la fisica. Un
annuncio che ha lasciato senza parole i presenti e non solo, dato che in molti si
aspettavano che il premio andasse alla scoperta delle onde gravitazionali. Per chi è
rimasto deluso, e per chi magari non ha capito cosa è accaduto, ecco la spiegazione: i
candidati al premio Nobel vengono scelti entro il 31 gennaio e l’annuncio di Ligo e Virgo è
2
Dossier OggiScienza
Superconduttori
arrivato l’11 febbraio, cioè fuori tempo massimo. Motivo per cui per il prossimo anno ci
potrebbero essere buone probabilità per le onde gravitazionali, a meno di nuove sorprese.
La commissione del premio, le cui celebrazioni come ogni anno si sono tenute a
Stoccolma, motiva la vittoria di David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane e Michael
Kosterlitz per “le scoperte teoriche delle transizioni topologiche di fase e delle fasi
topologiche della materia”. Una motivazione non facile da intuire per chi non “mastica” la
materia, ma che rivela tutta l’importanza di questo premio. Gli studi dei tre scienziati infatti
hanno completamente rivoluzionato il nostro modo di vedere la materia da un punto di
vista quantistico e sono stati pionieri per la comprensione e l’utilizzo della
superconduttività e dei superfluidi, aprendo negli anni Settanta le strade ai computer
quantistici e alla tecnologia del futuro, che ora è quasi un presente.
Chi sono i tre scienziati britannici vincitori del premio Nobel?
David Thouless ha 82 anni ed è professore emerito della Washington University a
Seattle. Nato nel 1934 a Barsden, in Scozia, ha ottenuto il dottorato alla Cornell University
di Ithaca, negli Stati Uniti. Ha insegnato fisica matematica alla Birmingham University, nel
Regno Unito, e poi alla Washington University dal 1980.
Frederick Duncan Michael Haldane ha 65 anni e insegna fisica alla Princeton University.
Nato nel 1951 a Londra, ha ottenuto un dottorato alla Cambridge University prima di
trasferirsi negli Stati Uniti e diventare professore a Princeton.
John Michael Kosterlitz ha 74 anni ed è docente di fisica alla Brown University di
Providence. Nato nel 1942 ad Aberdeen, in Scozia, ha studiato alla Oxford University e
insegnato alla Birmingham University, per poi arrivare negli Stati Uniti come gli altri
colleghi.
Gli stati strani e bizzarri della materia: perché la topologia?
La materia può assumere stati che possiamo definire “strani” e in cui si possono
verificare fenomeni come la superconduzione, quando la corrente elettrica passa
all’interno di un materiale senza incontrare alcuna resistenza e dunque senza dissipare
3
Dossier OggiScienza
Superconduttori
calore. Ci sono poi fenomeni come la superfluidità, quando sono invece i fluidi a non
trovare resistenza alcuna nel loro scorrimento. Comprendere come la materia possa
assumere queste caratteristiche non è semplice, ma tra gli anni Settanta e gli anni Ottanta
i tre scienziati sono riusciti a scoprire che esiste un modo di descrivere, in termini
matematici, questi stati esotici della materia. La risposta trovata da Thouless, Haldane e
Kosterlitz ai loro problemi è stata la topologia. Si tratta di una branca della matematica che
studia le proprietà di quelle figure geometriche che non cambiano quando vengono
deformate in modo continuo, cioè senza subire strappi, sovrapposizioni o incollature. Una
deformazione dunque che non altera le proprietà che la materia ha e continua a
mantenere.
L’esempio migliore per spiegare la topologia? Sicuramente quello scelto dai
presentatori del premio Nobel, che da un bel sacchetto hanno estratto un panino, una
ciambella e un bagel. Oggetti che vengono deformati, attraverso un allungamento della
loro superficie e la creazione di un buco al suo interno, senza però cambiarne la
caratteristica di pane.
Le transizioni di fase topologiche
La prima scoperta di Thouless e Kosterlitz è stata quella, negli anni Settanta, di
smentire la teoria per cui la superconduttività e la superfluidità sono fenomeni che si
verificano solo in strati di materiali molto sottili, in un sistema approssimabile quasi a
bidimensionale. Gli scienziati hanno dimostrato che questi fenomeni si verificano anche in
materiali più grandi, ma in presenza di opportune condizioni, come per esempio una
temperatura prossima allo zero assoluto della scala Kelvin, che corrisponde a – 273,15
gradi Celsius.
Il motivo? Il raffreddamento del materiale placa l’agitazione termica delle molecole che
lo compongono, permettendo così di passare alle sole interazioni quantistiche a – 273,15
gradi Celsius. Raffreddando gradualmente il materiale, l’agitazione termica delle sue
molecole si fa sempre più limitata via via che si si avvicina allo zero assoluto, lasciando il
posto alle interazioni quantistiche, che dominano anche i fenomeni macroscopici.
4
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Si tratta dei cambiamenti che nella fisica classica sono già noti come transizioni di fase.
Un esempio? Quando raffreddiamo l’acqua allo stato liquido fino a farla diventare ghiaccio,
cioè facendola transitare a uno stato solido, in cui le molecole di acqua sono
completamente ordinate in un reticolo. Alle temperature vicine allo zero assoluto, i
materiali mostrano un flusso di corrente che non risente di eventuali resistenze e la
formazione di vortici che ruotano su sé stessi, senza dunque produrre artriti e senza
perdere velocità. In queste condizioni i materiali prendono il nome di superfluidi.
Basandosi sulla topologia i ricercatori sono riusciti a dimostrare l’esistenza di una nuova
transizione di fase, detta transizione KT in loro onore, in cui lo spin degli atomi forma
configurazioni a vortice. Esiste, come per tutte le transizioni di fase, una temperatura
critica: sotto questo valore si formano coppie di vortice e antivortice che sono legate tra
loro, mentre al di sopra di questa temperatura i vortici hanno una configurazione libera.
Proprio come accade per l’acqua, che è in stato solido sotto gli zero gradi Celsius e in
stato liquido sopra.
L’effetto Hall quantistico e le transizioni di materia topologiche
Cosa accade invece nel caso della conduzione elettrica a basse temperature e in
presenza di un intenso campo magnetico esterno? La risposta arriva dallo studio
dell’effetto Hall quantistico, in cui la conducibilità elettrica assume valori particolari: al
variare del campo magnetico esterno, la conducibilità – che fino ad allora era considerata
come un valore continuo – varia a scalini, cioè di valori che sono multipli interi di una unità
fondamentale.
La topologia, anche in questo caso, è diventata la risposta. Le figure topologiche infatti
possono essere classificate in funzione del numero di “buchi” che presentano. Per
esempio, una sfera o un cubo hanno zero buchi. Un toro, nome matematico della
ciambella, o una tazza da caffè, hanno un buco. Un paio di occhiali ne ha due e un bagel
tre. Il numero di buchi è dunque un numero intero. Nell’effetto Hall quantistico si ipotizza
che gli elettroni possano muoversi in un modo relativamente libero, che segue dunque la
discretizzazione, e che questa libertà permetta di formare un fluido quantistico topologico.
5
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Da questo dipende anche la conducibilità elettrica, che è il parametro macroscopico di
questo comportamento microscopico del materiale.
Alle ricerche di Kosterliz, arriva poi il contributo alla fine degli anni Ottanta di Haldane,
che al modello dell’effetto Hall quantistico aggiunge un pezzo: scopre infatti che i fluidi
topologici possono formare superconduttori anche in assenza di campo magnetico
esterno.
Dalla materia “esotica” ai computer quantistici
Il primo risultato dunque è stato la scoperta delle transizioni topologiche di fase, che ha
permesso di identificare i fluidi Hall quantistici e le catene atomiche magnetiche che
sfruttano le proprietà della superconduttività e dei superfluidi. Da allora le caratteristiche
esotiche dei materiali quantistici sono state svelate e oggi si apre un mondo di possibilità a
una tecnologia del futuro – o quasi del presente – che allora sembrava impossibile da
realizzare. Come per esempio i bit quantistici: unità estremamente stabili che potrebbero
portare alla costruzione dei computer quantistici e a tutta una serie di tecnologie che
senza il loro contributo non sarebbero state immaginabili.
6
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Articolo di Luisa Alessio, pubblicato su OggiScienza
Superconduttività ad alte temperature: il
cuprato di lantanio
Segui il link per leggere l’articolo direttamente sul sito di OggiScienza
https://oggiscienza.it/2016/03/01/superconduttori-materiali-temperatura-cuprato/
RICERCATORI ALL’ESTERO – Creare interfacce non è una cosa banale: la sintesi è
difficile, i calcoli sono difficili e prima di imparare a maneggiare un sistema ci vogliono
anni. Bisogna quotidianamente innovare le idee e i mezzi tecnici e confrontarsi con
problemi il più delle volte sconosciuti. Ho imparato ad avere molta pazienza in questo tipo
di ricerca”.
Nome: Federico Baiutti
Età: 30 anni
Nato a: Monfalcone (GO)
Vivo a: Stoccarda (Germania)
Dottorato in: Chimica (Stoccarda)
Ricerca: Effetti di interfaccia per indurre superconduttività in super reticoli
Istituto: Max Planck Institute for Solid State Research (Stoccarda)
Interessi: mountain bike, basket, correre, sciare, ascoltare musica, suonare la chitarra.
Di Stoccarda mi piace: le colline, è molto ordinata, sicura, c’è un elevato senso civico.
Di Stoccarda non mi piace: il grigio (architettonico, metereologico e alimentare), i
melograni sono molto costosi.
Pensiero: Esule […] è un paradosso senza fine (Salman Rushdie, I versi satanici).
7
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Che tipo di materiali utilizzi nella tua ricerca?
In generale mi occupo di ossidi funzionali, cioè materiali in grado di svolgere un compito
da poter utilizzare in applicazioni sia tecnologiche come il trasporto, l’immagazzinamento
(batterie) o la trasformazione di energia (celle a combustibile), sia elettroniche (memorie,
transistor). Più nel dettaglio, la mia ricerca si concentra sugli ossidi funzionali
superconduttori, cioè materiali che hanno il grosso vantaggio di trasportare corrente senza
disperderla. Conoscere i meccanismi alla base del loro funzionamento, la loro fisica e,
principalmente, la loro chimica è indispensabile per poter sfruttare le loro prestazioni in
maniera ottimizzata.
Tra le classi di ossidi superconduttori, quella dei cuprati è particolarmente interessante
perché superconduce ad alte temperature – fermo restando che stiamo parlando di valori
bassissimi, attorno ai -200 °C. Una volta capito il motivo per cui questi materiali
superconducono si può puntare ad alzare ulteriormente la temperatura in mondo da
renderli più disponibili per l’uso tecnologico. Attualmente i materiali superconduttori
vengono usati soprattutto nelle apparecchiature mediche di risonanza magnetica e nel
trasporto di energia, opportunamente raffreddati per esempio con azoto liquido. Realizzare
il sogno di un superconduttore a temperatura ambiente farebbe una bella differenza in
campo applicativo e sarebbe una vera e propria rivoluzione tecnologica.
Quali sono i metodi di induzione della superconduttività ad alte
temperature?
Il metodo classico è il drogaggio, che consiste nell’aggiungere a un semiconduttore piccole
quantità di impurità al fine di alterare le proprietà della sostanza. Noi abbiamo messo a
punto un metodo alternativo che consiste in un drogaggio eterogeneo attraverso
un’interfaccia: in pratica si tratta di sintetizzare due materiali in modo che si trovino uno
vicino all’altro e sfruttare gli effetti di interfaccia per indurre la superconduttività.
8
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Per la sintesi si utilizza una tecnica chiamata molecular beam epitaxy (MBE), grazie alla
quale si riescono a creare pellicole sottilissime di una grande varietà di materiali: si parte
da un substrato tenuto a una temperatura tra 600 e 700 gradi che, in condizioni di alto
vuoto, viene bombardato da fasci di atomi provenienti da una serie di metalli, dieci nel
nostro caso. In particolari condizioni di temperatura, pressione, flusso, tipo di substrato,
tipo e quantità di metalli reagenti, questi fasci danno origine a un nuovo materiale
cristallino con spessore compreso tra quello di una singola cella atomica e 50 nm.
Nel caso di crescita di ossidi, c’è bisogno anche di una fonte di ossigeno e per questo,
durante il processo, viene introdotta nella camera una piccola quantità di ozono che
consente l’ossidazione del materiale. Nella mia ricerca, lo strato principale è fatto da
cuprato di lantanio mentre l’interfaccia da uno strato di stronzio. Si tratta di un elemento
normalmente usato per drogare i materiali, ma nel nostro caso, invece di drogare tutto il
volume, abbiamo depositato singoli strati di drogante all’interno della struttura. La struttura
cuprato-stronzio viene poi ripetuta più volte periodicamente fino a creare un super reticolo.
Le macchine in grado di produrre queste pellicole sono molto grandi e vengono
comandate via computer. Quella che usiamo nel mio laboratorio è stata installata partendo
da zero, nel senso che all’inizio non c’era nemmeno il pavimento, e la sua peculiarità
consiste nel fatto che è in grado di controllare la composizione chimica delle singole celle
dei materiali depositati. Questo dà molta libertà, perché possiamo scegliere nel dettaglio la
composizione del cristallo e accoppiare tanti materiali diversi, continuando a conoscere
con esattezza come è fatto ogni singolo strato atomico.
L’MBE è considerata una tra le migliori e più complesse tecniche per la crescita di pellicole
sottili. Come mi disse una volta il mio maestro di molecular beam epitaxy con il suo
inconfondibile accento russo: “You are like God”.
9
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Come avviene la superconduzione ad alte temperature nei cuprati?
Gli scienziati ci stanno sbattendo la testa da 1986, anno in cui fu scoperto l’ossido di
lantanio, bario e rame, il primo a supercondurre a temperature relativamente elevate,
-243°C. Di ipotesi se ne fanno di continuo ma è difficile provare quale sia quella
giusta. L’idea del nostro studio è cercare di capire almeno un po’ dei meccanismi di
superconduttività ad alta temperatura e il più possibile dei meccanismi di interfaccia, con
l’obiettivo finale di applicare lo stesso procedimento a ossidi diversi, con proprietà diverse.
Nei nostri esperimenti osserviamo principalmente come ioni e elettroni si riarrangiano
alle interfacce: quando sono vicini è come se si parlassero per ridistribuirsi da una parte
all’altra dell’interfaccia per ristabilire l’equilibrio termodinamico. Altri effetti che osserviamo
sono quelli di deformazione elastica e la creazione di legami atomici che in qualche modo
modificano le proprietà funzionali del materiale. In particolare, in alcuni casi abbiamo visto
che accoppiando il materiale A con il materiale B saltano fuori nuove proprietà C non
previste dalla semplice combinazione di A e B presi singolarmente. Capita molto spesso
che da un esperimento saltino fuori cose che non ci aspettiamo o che non cerchiamo
affatto: le studiamo, proviamo a dare una spiegazione e, se sono utili, le teniamo,
altrimenti cambiamo l’esperimento di conseguenza.
Il vantaggio di tutto ciò è che con queste conoscenze diventa più facile giocare con i
vari materiali, migliorarne le proprietà esistenti, crearne di nuove e ottimizzare le
prestazioni. Il tutto su scala nanometrica, cosa che negli ultimi vent’anni ha aperto
prospettive tecnologiche e concettuali davvero vantaggiose per i dispositivi a temperatura
ambiente.
Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
Sarebbe interessante studiare interfacce di cuprati con altri materiali diversi dallo
stronzio, in modo da indurre proprietà sempre differenti. Lo sbocco di una ricerca simile è
creare dispositivi dalle dimensioni molto piccole, con prestazioni elevate e con cui giocare
10
Dossier OggiScienza
Superconduttori
in termini di proprietà. In questo senso, lavorare con gli ossidi è molto stimolante perché,
rispetto ai semiconduttori che hanno un range di proprietà più limitato, possono essere
manipolati in molti modi diversi.
11
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Articolo di Luisa Alessio, pubblicato su OggiScienza
Alla scoperta di nuovi materiali quantistici
Segui il link per leggere l’articolo direttamente sul sito di OggiScienza
https://oggiscienza.it/2016/10/24/materiali-quantistici-superconduttivita-fisica/
RICERCATORI ALL’ESTERO – “La prossima rivoluzione tecnologica è avere a
disposizione un superconduttore ad alta temperatura con cui creare computer quantistici,
linee elettriche ad alta potenza senza perdite di energia, tecnologie di trasporto ad alta
velocità (come i treni a levitazione magnetica), macchine di risonanza magnetica più
compatte e senza sistemi di raffreddamento. Non ci siamo ancora arrivati ma dobbiamo
continuare a cercare: è un viaggio nell’ignoto ma la ricompensa finale (scientifica e
tecnologica) potrebbe essere immensa”.
Tra tutti i materiali che ci circondano, quelli quantistici a transizione superconduttiva più
alta sono considerati molto promettenti per lo sviluppo di nuove tecnologie, non
necessariamente solo elettroniche. L’ideale sarebbe riuscire a creare materiali
superconduttivi a temperatura ambiente.
Nome: Riccardo Comin
Età: 31 anni
Nato a: Udine
Vivo a: Boston (Stati Uniti)
Dottorato in: fisica (Vancouver, British Columbia, Canada)
Ricerca: Struttura elettronica di materiali superconduttori con interazioni multi-corpi
Istituto: Department of physics, MIT Massachusetts Institute of Technology (Cambridge,
12
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Massachusetts, USA)
Interessi: viaggiare
Di Boston mi piace: la grande varietà di pesce.
Di Boston non mi piace: l’umidità, il traffico, i prezzi delle case.
Pensiero: Happiness is real only when shared. (Jon Krakauer, Into the Wild)
Quali sono le caratteristiche dei materiali con interazioni multi-corpi?
Si tratta di materiali fatti da un alto numero di entità interagenti tra loro (elettroni) e in cui
i meccanismi cooperativi che si instaurano sono talmente forti da creare proprietà
inaspettate. Con alto numero di entità mi riferisco al fatto che in 1 cm 3 di materiale ci sono
circa 1022 atomi, ovvero circa 10 mila miliardi di miliardi, e ogni atomo ha un certo numero
di elettroni. Quindi si può immaginare quanto complessi siano i comportamenti e le
dinamiche cooperative in questi materiali. E quanto imprevedibili dal punto di vista teorico
siano le nuove proprietà che si generano.
Un po’ come una società di individui: se ci sono poche persone, ognuno si comporta in
base ai suoi bisogni primari con una dinamica abbastanza semplice da comprendere; se le
persone sono molte, cominciano a nascere interazioni e meccanismi di collaborazione che
favoriscono la creazione di sistemi più complessi come le comunità. Per gli elettroni la
situazione è simile: ci sono certi materiali, come il silicio o i metalli semplici tipo rame e
oro, in cui ogni elettrone segue la sua strada e il comportamento del materiale è facilmente
prevedibile con i metodi della fisica classica. In un materiale quantistico, invece, gli effetti
delle forti interazioni tra le componenti creano situazioni nuove rispetto alla somma delle
parti individuali.
La mia ricerca consiste nel sintetizzare nuovi materiali e studiarne le proprietà,
soprattutto elettroniche e magnetiche, che stanno diventando particolarmente rilevanti nel
campo dell’elettronica al fine di riuscire a controllarle.
13
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Che tipi di materiali studi?
In pratica tutti quei materiali in cui la cooperazione degli elettroni produce un particolare
effetto quantistico macroscopico che è la superconduttività. I materiali superconduttori
sono molto sofisticati dal punto di vista della loro natura quantistica: sono superfluidi
elettronici, cioè sistemi di elettroni in cui ogni componente sa esattamente dove sono gli
altri fino a formare una specie di fluido che procede in fase. Per fare un paragone,
immaginiamo un’autostrada in cui non ci sono macchine che superano, che vanno in
direzioni diverse, entrano o escono e fanno incidenti. Tutte le vetture vanno esattamente
alla stessa velocità, si tengono esattamente alla stessa distanza e rispettano un ordine di
percorrenza molto preciso. Questo è un superconduttore: un sistema in cui non ci sono
collisioni e gli elettroni fluiscono in maniera estremamente ordinata e coordinata. È un
moto perfetto di un sistema con tante entità e secondo me è una delle manifestazioni più
spettacolari delle proprietà quantistiche e cooperative che emergono da un sistema di
elettroni fortemente interagenti.
I nostri materiali preferiti sono i cuprati, cioè ossidi di rame, perché hanno grandi
potenzialità tecnologiche dato che diventano superconduttivi a temperature più alte
rispetto ad altri materiali. Parliamo di temperature comunque molto più basse rispetto a
quella ambiente che, nel caso dei materiali migliori, si aggirano attorno ai 170 °K (-120 °C).
Esistono diversi tipi di cuprati con diversa composizione chimica degli atomi: tra quelli
che studiamo in laboratorio un materiale particolarmente interessante perché molto puro e
pulito è un cuprato fatto da ittrio, bario e rame che si chiama YBCO. Puro significa che ha
pochissimi difetti negli strati che supportano la superconduttività e ciò è molto importante
per le nostre analisi perché rende più facile lo studio e l’interpretazione di certi fenomeni.
Le impurità infatti sono una perturbazione del materiale e creano un disordine che
influenza le proprietà elettroniche e magnetiche
14
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Che risultati avete ottenuto su YBCO?
Abbiamo scoperto che, all’interno del materiale, gli elettroni oltre a interagire tra di loro e
formare una fase superconduttiva hanno altre tendenze cooperative e spesso si
congelano lungo strutture periodiche a forma di strisce chiamate stripe order. Questo è un
meccanismo molto importante per la fisica dei cuprati perché è diametralmente opposto al
tipico comportamento superconduttivo, in cui gli elettroni sono liberi di muoversi in maniera
coordinata.
Quello che succede è che all’interno del materiale alcune zone sono attraversate da
supercorrenti e mentre in altre gli elettroni sono fermi, bloccati. Il fenomeno è conosciuto
come coesistenza di fasi ed è come l’olio nell’acqua, che in un’emulsione tendono a
evitarsi. Allo stesso modo, la fase a strisce e quella superconduttiva non stanno
contemporaneamente nella stessa parte del materiale ma tendono a evitarsi, con una
delle due segregata in piccole isole statiche mentre attorno gli elettroni sono liberi di fluire.
La coesistenza di fasi non impedisce la superconduttività nel materiale ma pensiamo
possa essere uno dei motivi che attualmente limita la temperatura a cui si manifestano le
supercorrenti. Se si potesse rimuovere la tendenza a formare le fasi statiche magari in
futuro si potrebbero migliorare le proprietà superconduttive dei materiali.
Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
Rimango molto interessato alla superconduttività, ma in realtà studiamo anche altre
proprietà quantistiche, come la magnetoelettricità. In generale, mi piacerebbe scoprire altri
materiali superconduttori: il problema è che nei sistemi a multi-corpi, gli elettroni che
interagiscono tra loro sono tantissimi ed è molto difficile fare predizioni teoriche, anzi è
quasi impossibile anticipare la composizione chimica ed elettronica di un materiale che
manifesti proprietà superconduttive. Di solito si fanno crescere cristalli partendo dai
precursori di base, giocando di volta in volta con le concentrazioni, e solo alla fine,
attraverso la caratterizzazione, si scopre se il materiale è superconduttivo o meno. Non è
possibile pianificare nulla, la stessa superconduttività nei cuprati è stata una scoperta
serendipitous, come dicono gli inglesi.
15
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Articolo di Luisa Alessio, pubblicato su OggiScienza
L’effetto della luce sui materiali fortemente
correlati
Segui il link per leggere l’articolo direttamente sul sito di OggiScienza
https://oggiscienza.it/2016/10/11/fisica-dei-materiali-correlati/
RICERCATORI ALL’ESTERO – “La struttura elettronica di un materiale ha applicazioni
dirette e immediate nel mondo in cui viviamo; oggi parliamo di materiali fortemente
correlati ma tra cinque o dieci anni ci saranno tecnologie in grado di sfruttarli. È
sorprendente come questi oggettini che chiamiamo elettroni, se perturbati, possano
cambiare tanto profondamente tutte le proprietà di un materiale.”
Nome: Lorenzo Sponza
Età: 32 anni
Nato a: Venezia
Vivo a: Londra (Gran Bretagna)
Dottorato in: fisica (Parigi, Francia)
Ricerca: Un metodo autocoerente GW+DMFT per la simulazione di strutture elettroniche
Istituto: Dipartimento di fisica, King’s College of London (Gran Bretagna)
Interessi: fotografia, sociopolitica-economia-macroeconomia, giochi da tavolo o di ruolo
Di Londra mi piace: è Londra! C’è spontaneamente di tutto
Di Londra non mi piace: è troppo grande, è difficile muoversi all’interno della città, sei
sempre nei mezzi pubblici
Pensiero: “Pas de raccourcis” (nessuna scorciatoia)
16
Dossier OggiScienza
Superconduttori
I materiali fortemente correlati stanno riscuotendo un grande successo perché sono
materiali innovativi dalle interessanti proprietà fisiche. La loro comprensione e descrizione
teorica rappresenta una sfida nel campo della fisica della materia condensata. Tra gli
approcci di studio, il metodo GW+DMFT permette di usare una descrizione dell’intero
materiale ab initio, senza conoscerne troppi dettagli, seguita da una simulazione che
corregge la parte fortemente correlata, per selezionare meglio i dettagli. Il tutto in un ciclo
di analisi ben costruito e definito.
Cosa sono i materiali fortemente correlati?
Si tratta di sistemi in cui l’interazione tra gli elettroni nella banda di valenza è talmente
forte da influire sulle caratteristiche fisiche di un materiale di interesse. Gli elettroni di
valenza sono quelli che si trovano in una zona ad alta energia e che, nel loro insieme,
hanno comportamenti molto diversi da quelli di singole particelle.
Buona parte della fisica che cerchiamo di studiare per le applicazioni tecnologiche, dal
fotovoltaico al touch screen fino all’elettronica trasparente, è legata al comportamento di
questi elettroni. Quando si studia un materiale, però, non basta capire come si dispongono
gli atomi nel loro stato fondamentale perché, una volta prodotto, quel materiale arriva nelle
nostre mani e inizia a essere usato: le particelle che lo compongono entrano per forza in
contatto con luce, calore, vibrazioni e altre perturbazioni o forze e quello che diventa
fondamentale sapere è come reagiscono gli elettroni a questi stimoli.
La mia ricerca si occupa di elaborare modelli analitici semplici per descrivere e predire il
comportamento di un materiale in risposta a uno stimolo luminoso (luce visibile, raggi X e
infrarossi). Non mi sono occupato di un materiale specifico ma ho lavorato sulle equazioni
matematiche, sulle righe di codice che stanno alla base delle simulazioni fatte al computer.
Per testare i miei modelli ho applicato le simulazioni a materiali interessanti dal punto di
vista tecnologico come il titanato di stronzio, la grafite, il cuprato di lantanio, il grafene, il
nichel e l’ossido di zinco.
17
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Che metodi hai utilizzato per studiare l’interazione tra elettroni e luce?
Esistono principalmente due approcci: uno modellistico e uno ab initio. Prendiamo per
esempio il cuprato di lantanio, formato da rame, lantanio e ossigeno, e ipotizziamo di voler
studiare l’interazione tra la luce e gli elettroni di valenza del rame. Quando creiamo il
modello del materiale, dobbiamo tener conto che ci sono altri elettroni, cioè quelli del
lantanio e dell’ossigeno e quelli non di valenza del rame. Un approccio modellistico ignora
gli ossigeni, gli stati profondi e tutto il contorno, e descrive solo il comportamento delle
particelle di valenza.
Il modello di approssimazione usato, quello di Hubbard, è molto semplice e descrive gli
elettroni come se fossero piccoli elementi messi sui nodi di un reticolo. La complessità del
sistema viene ridotta a una Hamiltoniana che però dipende da un parametro libero di cui
non si conosce il valore, cioè quello dell’interazione tra gli elettroni. Il modello non può
essere quantitativamente predittivo finché non si assegna un numero al parametro,
numero che deve essere aggiustato di volta in volta (un po’ a intuito, un po’ su dati
sperimentali, se ci sono) in base alle caratteristiche del modello da studiare. Una volta
risolto il sistema, è possibile verificare le sue proprietà. Un approccio modellistico molto
potente e fruttuoso per descrivere i materiali correlati è chiamato DMFT (Dynamical meanfield theory) o teoria di campo medio dinamico.
E per quanto riguarda lo studio ab initio?
Ab initio è una parola tecnica e significa “da principi primi”: in questo caso, per
caratterizzare il materiale in una simulazione, non ci sono parametri liberi e non occorre
fornire informazioni sull’interazione tra le parti o sui processi presenti. Basta inserire nel
computer la posizione degli atomi che compongono il materiale e far partire la
simulazione.
Nei conti ab initio, vengono quindi inclusi tutti gli elettroni (ossigeno, lantanio, rame) e,
se il sistema viene trattato in maniera esatta, non c’è bisogno di passare per un modellino
18
Dossier OggiScienza
Superconduttori
che seleziona solo le particelle di interesse. Purtroppo, quando le interazioni sono molto
forti come nei materiali fortemente correlati, è difficile essere così esatti perché, per il
nostro stato di conoscenza delle equazioni di base, scrivere qualcosa che il computer
possa calcolare è tecnicamente impossibile. La sigla che caratterizza tutta la serie di
tecniche ab initio che usiamo è GW.
Quali sono i vantaggi dei calcoli ab initio?
Innanzitutto, gli studi per principi primi tengono conto di tutto quello che succede
all’interno del materiale, senza correre il rischio (o comunque un rischio molto limitato) di
perdere fenomeni per strada. Nell’approccio modellistico, invece, chi prepara il modello e
descrive il materiale sta, di fatto, già decidendo quali sono i processi che avvengono.
Inoltre, lavorare ab initio permette di essere più predittivi perché non si è legati a nessun
risultato sperimentale o a nessuna conoscenza a priori del materiale. D’altra parte,
siccome in questo tipo di analisi c’è di tutto, se emerge un processo interessante, capire le
forze principali che lo generano richiede un’elaborazione dei dati molto complicata. Usare
invece un modello semplice permette di tenere sotto controllo quello che sta succedendo:
si paga il prezzo di non avere una descrizione completa del materiale ma si può
selezionare meglio la fisica che interessa.
Qual è l’effetto della luce sui materiali fortemente correlati?
Per il titanato di stronzio ho scritto un’equazione in cui riesco a includere gli effetti
dinamici nell’assorbimento di luce. Quando la luce colpisce un elettrone, questo assorbe
l’energia e passa a uno stato eccitato. Tutti gli altri elettroni del sistema non stanno fermi a
guardare, ma reagiscono in tempi diversi. Finora bisognava approssimare la loro risposta
come se fosse istantanea perché altrimenti era difficile fare i calcoli per risolvere
l’equazione; con la mia ricerca sono riuscito a fare delle simulazioni che tengono conto di
questo ritardo.
19
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
A inizio ottobre mi sono trasferito a Parigi e lavoro presso il LEM (Laboratoire D’étude
Des Microstructure) all’ONERA, l’agenzia aerospaziale francese. Mi occupo sempre di
simulazioni ab initio della struttura elettronica, ma questa volta mi concentro su un sistema
specifico, il nitruro di boro esagonale, per gli amici hBN. Questo materiale ultimamente è
molto in voga perché si è capito come produrne film molto sottili, spessi un atomo per
intenderci.
20
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Glossario
Atomo
È il componente fondamentale della materia che costituisce non solo il nostro pianeta, ma
l’Universo intero. Il nome deriva dal greco e significa “indivisibile” (alfa privativo + temnein,
un verbo che significa tagliare) ma oggi sappiamo che non è affatto così: un atomo ha un
nucleo centrale, intorno al quale si muovono particelle chiamate elettroni dotate di una
piccola carica elettrica, che per convenzione si definisce negativa. All’interno del nucleo,
invece, ci sono le particelle chiamate protoni, che hanno carica positiva, e i neutroni, con
carica neutra. A proporre questo tipo di struttura, il primo modello atomico realistico, fu il
chimico e fisico neozelandese Ernest Rutherford, premio Nobel per la chimica nel 1908,
che studiò una struttura “ispirata” al Sistema Solare, in cui i pianeti orbitano intorno alla
loro stella. In seguito fu il fisico Niels Bohr, nel 1916, a proporre un nuovo modello che
“risolveva” le problematiche incontrate da quello del suo collega Rutherford, e che oggi è
uno dei pilastri alla base della meccanica quantistica.
Computer quantistico
Un computer che sfrutta i fenomeni della meccanica quantistica per effettuare le
operazioni di elaborazione delle informazione. La meccanica quantistica è la scienza che
studia i sistemi atomici e subatomici, sistemi in cui le leggi della fisica classica non
valgono. Nel corso degli anni ha permesso di interpretare molti dati sperimentali e
21
Dossier OggiScienza
Superconduttori
fenomeni macroscopici come la superconduttività (vedi alla voce Superconduttività). La
meccanica quantistica pone un approccio del tutto nuovo alla fisica e si basa su un
concetto di misura diverso, che parte dal principio di indeterminazione di Heisenberg per
cui non è possibile conoscere allo stesso tempo la posizione o la velocità di una particella.
L'osservatore, nella meccanica quantistica, influisce attivamente sul sistema che vuole
misurare: illuminando un elettrone per osservarne la posizione, inevitabilmente, gli si
fornisce l’energia che ne aumenta la velocità originaria.
Conducibilità elettrica
È la misura della capacità di un materiale a condurre una corrente elettrica. La resistività
elettrica, al contrario, è l'attitudine di un materiale a resistere al passaggio delle cariche
elettriche.
Discretizzazione
Un procedimento usato in matematica e informatica, che permette di trasformare modelli
matematici basati su equazioni continue in modelli matematici basati su equazioni
discrete.
Equilibrio termodinamico
In termodinamica, la branca della fisica che studia le trasformazioni di lavoro meccanico in
calore e viceversa, un sistema è detto in equilibrio termodinamico quando i suoi parametri
come temperatura, volume e pressione non cambiano nel tempo e se un loro
cambiamento è possibile solo quando a modificarsi è l’ambiente che circonda il sistema (il
quale però ne subisce le ripercussioni).
22
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Magnetoelettricità
Un dispositivo magnetoelettrico permette di trasformare l’energia magnetica in energia
elettrica. I trasduttori, ad esempio, convertono le variazioni di un campo magnetico
(funzione di ingresso) in variazioni di una corrente elettrica (funzione di uscita).
Onde Gravitazionali
Secondo la teoria della relatività generale formulata da Albert Einstein (vedi sotto) si tratta
di vibrazioni che hanno origine da un violento evento cosmico, come l’esplosione di una
supernova, il Big Bang o la collisione di due buchi neri. Quest’ultima circostanza, oltre ad
aver provato l’esistenza dei buchi neri, è anche quella che ha permesso agli scienziati di
confermare l’esistenza delle stesse onde gravitazionali, nel 2015 (la scoperta è stata resa
pubblica l’11 febbraio 2016).
Superconduttività
La caratteristica di quei metalli che, al passaggio di una corrente elettrica e a una data
temperatura, assumono resistenza nulla ed espellono i campi magnetici. Il mercurio è uno
di questi materiali superconduttori (il primo a essere stato scoperto, nel 1911 dal fisico
olandese Heike Onnes) ma anche altri metalli e leghe vantano la stessa proprietà. La
corrente elettrica che fluisce in un superconduttore è detta supercorrente.
Superfluidità
È una proprietà della materia ed è stata scoperta nel 1935 dal fisico Willem Hendrik
Keesom, esperto del comportamento della materia. I superfluidi hanno conducibilità
termica infinita e totale assenza di entropia e viscosità.
23
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Collegamenti
interdisciplinari
Informatica
Comprendere la complessità e i limiti delle applicazioni scientifiche
quando si scende su scale atomiche
L’idea di un sistema di elaborazione basato sugli stati delle particelle elementari ha più di
trent’anni, e si può far risalire alle intuizioni di Richard Feynman. L’obiettivo è quello di sostituire i
bit (ottenuti da semiconduttori e che sfruttano i due stati possibili 1 e 0) con i qubit che, seguendo
le regole della meccanica quantistica,
possono trovarsi in quattro condizioni differenti. Alcuni
fisici di Ibm, sfruttando le proprietà dei superconduttori, hanno messo in piedi un sistema
sperimentale a quattro qubit. Quali altri tentativi sono stati fatti per realizzare computer quantistici?
Quali i principali problemi?
24
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Scienze della Terra
Comprendere la complessità delle generalizzazioni e semplificazioni
didattiche
Fin dai tempi delle elementari sappiamo che gli stati della materia sono solido, liquido o
aeriforme. Nella scienza moderna, però, questa classificazione è risultata inadeguata per
descrivere le possibili forme di organizzazione della materia. Un esempio? Anche
semplicemente definire il “ghiaccio” non è semplice, visto che ne sono stati descritti ben 15
tipi differenti. Il plasma è il primo stato della materia aggiunto alla lista dei tre che
conosciamo tutti, per esempio lo stato superfluido. Ma quali altri stati della materia
esistono? E di cosa si tratta?
Scienza e applicazioni
Comprendere alcune applicazioni pratiche della superconduttività
Trovare materiali superconduttori a temperature “alte”, come per esempio la temperatura
ambiente, non è cosa facile. Proprio per questo le applicazioni pratiche dei superconduttori
sono per ola limitate ad alcuni ambiti specifici: dalla realizzazione di magneti
superconduttori ai treni a levitazione magnetica. Come funzionano questi treni? Quali sono
i vantaggi rispetto ai normali mezzi di trasporto?
25
Dossier OggiScienza
Superconduttori
Ulteriori risorse online
ENEA Tv, La superconduttività si vede! (ITA)
https://www.youtube.com/watch?v=humOoxk5dgw
In a Nutshell - Quantum Computers Explained (ENG) https://www.youtube.com/watch?
v=JhHMJCUmq28
26
