Il Fenomeno della
Superconduttività
Aurelio Agliolo Gallitto
Dipartimento di Scienze Fisiche e
Astronomiche, Università di Palermo
Sommario
1.1
1.2
Cenni storici
Superconduttori Convenzionali
Superconduttori di I tipo
-
Superconduttori di II tipo
1.3
Teoria Microscopica della Superconduttività
2.1
Superconduttori ad Alta Temperatura Critica
Confronto con i Superconduttori Convenzionali
Teorie …
Applicazioni Attuali e Future dei
Superconduttori
2.2
Cenni Storici
La Superconduttività è un fenomeno fisico che
caratterizza molte sostanze, le quali raffreddate al di sotto
di una temperatura critica, Tc, presentano eccezionali
proprietà elettriche e magnetiche. Questo fenomeno è
stato scoperto da Kammerlingh Onnes nel 1911.
Proprietà Elettriche e Magnetiche dei
Superconduttori di I Tipo
Resistività elettrica dc nulla: conduttore perfetto
Espulsione del campo magnetico: diamagnete perfetto
Proprietà Elettriche e Magnetiche dei
Superconduttori di I Tipo
Meissner effect
• B=B+4πM=0
• M/B = -1/4π
Superconduttori di II Tipo
Quantizzazione del flusso magnetico: il flussone
Teoria fenomenologica: il modello a
due fluidi di Gorter e Casimir
La corrente è trasportata da due tipi di portatori: gli
elettroni normali e quelli superfluidi. Gli elettroni
normali si comportano in modo usuale e seguono la legge
di Ohm
J n = σ n E;
gli elettroni superfluidi invece non dissipano e seguono
la legge di London
Js = −
A: potenziale vettore
1
4πλ
A.
Teoria Miscroscopica (BCS)
Gli elettroni possono formare delle coppie, dette coppie di
Cooper, per mezzo dell’interazione con le vibrazioni
reticolari del cristallo.
Tra due elettroni, aventi momento e spin opposti, nasce
un’interazione attrattiva che causa la formazione delle
coppie di Copper.
Il sistema può essere descritto da un’unica funzione d’onda
complessa.
G
ψ (r , t ) = ρ ( r , t )
Densità delle
coppie di Cooper
G
exp[iφ ( r , t )]
Fase Superconduttiva
Formazione delle coppie di Cooper
Elettroni nei metalli
Coppie di Cooper nei superconduttori
Quantizzazione del flusso magnetico
Il gradiente della fase della funzione d’onda è
proporzionale alla corrente di schermaggio che fluisce
alla superficie del superconduttore
G
mρ G 2e G
∇φ =
J+
A
2e=
=
φ
G
mρ G
2e G
∫ ∇φ ⋅ dl = ∫ 2e= J ⋅ dl + ∫ = A ⋅ dl = 2π n
h
Φ 0 = = 2,07 ⋅ 10 −15 Wb
2e
Φ = nΦ 0
φ deve ritornare allo
stesso valore (funzione
d’onda ad un solo valore)
Interferenza Quantistica: Effetto Josephson
Interferenza quantistica macroscopica tra funzioni d’onda
descriventi lo stato di due superconduttori accoppiati.
Andamento di Tc vs. tempo
Superconduttori ad alta Tc
Temperatura critica superiore della temperatura
dell’azoto liquido (Tc > 77 K) ;
Natura ceramica;
Meccanismo di accoppiamento degli elettroni non
ancora pienamente capito.
Altri Superconduttori: fullereni
C60M; M = Rb, K, …
Tc ≈ 25 K;
Altri Superconduttori: MgB2
Scoperto nel 2001
F Tc ≈ 40 K
Cristallo di MgB2
di dimensioni
micrometriche
Superconduttori ad alta Tc: YBCO
YBa2Cu3O7-x
Tc > 92 K;
Applicazioni Tecnologiche dei
Superconduttori
Magneti a Superconduttore per la Risonanza
Magnetica Nucleare;
Levitazione magnetica: treni superveloci;
SQUID: supersensori di campo magnetico;
Elettronica veloce: supercomputer.
Levitazione Magnetica: treni superveloci
Treno Giapponese Superveloce: MAGLEV
Superconducting QUantum
Interference Devices - SQUID
Applicazioni Tecnologiche dei
Superconduttori: filtri
Filtri passa banda per stazioni satellitari e
terrestri per la telefonia mobile
Progetto INFM coordinato dal Prof. R. Vaglio
dell’Università di Napoli, in collaborazione con le
Università di Salerno, Catania e le aziende
OMNITEL di Ivrea, ALENIA di Roma ANSALDO
C.R.I.S. e la CE.SVI.TEC. di Napoli.
Stazione per telefonia mobile OMNITEL.
Nel riquadro è mostrato un dettaglio del
filtro a film superconduttivo.
Cavità Risonanti a Microonde
Costruite con MgB2
Transmitted Power (µW)
0.015
Q ≅ 180 000
f0 ≅ 9755 MHz
0.010
∆f
Q = f0 / ∆ f
0.005
0.000
9754.8
9754.9
9755.0
9755.1
Frequency (MHz)
9755.2
Magneti a Superconduttore per la
Risonanza Magnetica Nucleare, NMR
I superconduttori permettono di realizzare elettromagneti
molto potenti, i quali trovano applicazione nella costruzione di
spettrometri NMR usati per lo studio delle parti molli del
corpo umano.
Riferimenti Bibliografici
EDUMAT: dalla pietra al microchip, CD-ROM realizzato
dall’Istituto Nazionale per la Fisica della Materia (Genova), Gruppo
Ed. Giunti (Genova) e Laboratorio Interprovinciale di Informatica
(Parma) 1997
Le Scienze, La struttura magnetica dei superconduttori, Giugno 1971
Le Scienze, Superconduttori organici, Sett. 1982
Le Scienze, Le future applicazioni dei nuovi superc., Feb. 1989
www.ornl.gov/reports/m/ornlm3063r1/contents.html
www.fisica.unipa.it/~agliolo
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