Il Fenomeno della Superconduttività
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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 } Via Archirafi 36, 90123 Palermo ℡ Tel 091.6234207 ¬ Fax 6162461 [email protected] www.fisica.unipa.it/~agliolo Laboratorio Didattico per la Fisica Facoltà di Scienze MM. FF. NN. Via Archirafi 28, 90123 Palermo
