Milano, 22 agosto 2011
Materiali superconduttivi ad alta temperatura
Uno studio sugli ossidi di rame pubblicato su Nature Physics
Il Politecnico di Milano, in collaborazione con il Max Planck Institute di Stoccarda ed
alcuni gruppi di ricerca del Sincrotrone Svizzero SLS, ha svolto una ricerca sugli ossidi di
rame (cuprati), materiali superconduttori ad alta temperatura, e ha scoperto che
l'interazione magnetica tra gli atomi di rame è molto più forte di quanto sinora
pensato quando questi materiali sono nello stato superconduttivo, cioé quando la
resistenza al passaggio di corrente elettrica è nulla. Dal momento che i cuprati sono gli
unici superconduttori ad alta temperatura critica (+ di 77 kelvin), questa scoperta
rappresenta un risultato di grande interesse generale nel campo della fisica dei solidi e, in
prospettiva, della scienza dei materiali perché permetterà di “progettare” in laboratorio
nuovi materiali superconduttori. La ricerca è stata pubblicata su Nature Physics a luglio.
LA STORIA
Esattamente 100 anni fa, nel 1911, il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes scoprì il
fenomeno della superconduttività, la proprietà di taluni materiali di trasportare corrente
elettrica senza nessuna resistenza. Molti materiali possono divenire superconduttivi, ma
sempre a temperature bassissime (pochi gradi sopra allo zero assoluto di -273°C), così che
l’uso pratico della superconduttività è stato sinora limitato dalla difficoltà e dal costo di
raggiungere temperature così basse. E il sogno iniziale di poter trasportare l’energia
elettrica su lunghe distanze “a costo zero” si è pian piano dissolto. Ciononostante i
materiali superconduttori trovano oggi applicazioni importanti, anche se di nicchia, come
la diagnostica medica per immagini (Risonanza Magnetica Nucleare), le telecomunicazioni
(centraline per telefonica cellulare, in USA), i laboratori di ricerca (dispositivi
magnetometrici SQUID, magneti dell’accelaratore di particelle LHC del CERN di
Ginevra).
Non tutti i materiali superconduttori sono però uguali. Quelli cosiddetti tradizionali
richiedono temperature molto basse, ottenibili solo con l’uso del costosissimo elio liquido.
Quelli “ad alta temperatura critica”, scoperti esattamente 25 anni fa da Bednorz e Müller,
sono superconduttivi anche a temperature ottenibili abbastanza facimente con l’uso
dell’azoto liquido, molto più semplice da produrre ed enormemente meno caro dell’elio
liquido. Questi materiali sono ossidi di rame, detti cuprati, dalla composizione chimica
assai complessa e con proprietà meccaniche che complicano la produzione di “fili” per il
trasporto di corrente, cosa che ne ha rallentato l’introduzione in ambito tecnologico. Dal
punto di vista fondamentale, inoltre, i cuprati rappresentano la sfida più importante per la
fisica dei solidi moderna. Infatti mentre una teoria per i superconduttori tradizionali esiste
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dagli anni ’50 (teoria BCS, da Bardeen, Cooper e Schriffer che la formularono), per i
cuprati un modello teorico soddisfacente non è stato ancora trovato.
LA RICERCA
Una possibile svolta arriva dalla scoperta, pubblicata su Nature Physics, che l'interazione
magnetica tra gli atomi di rame è molto più forte di quanto sinora pensato quando questi
materiali sono nello stato superconduttivo. Poiché in un materiale superconduttivo non solo
la resistenza al passaggio della corrente è nulla, ma vi è anche la contemporanea espulsione
dei campi magnetici presenti in esso, l’aver mostrato che, seppur nascosto, continua a
vigere un ordine magnetico è di estrema importanza per la formualzione della teoria della
superconduttività ad alta temperatura nei cuprati. Si tratta, quindi, di un risultato di grande
interesse generale nel campo della fisica dei solidi e, in prospettiva, della scienza dei
materiali. In particolare capire perché i cuprati diventano superconduttivi permetterà di
“progettare” in laboratorio nuovi materiali superconduttori e di far aumentare la
temperatura critica al di sopra dei 125 kelvin, record attuale dei cuprati.
Lo studio è stato condotto dal Politecnico di Milano (gruppo guidato dai Proff. Lucio
Braicovich e Giacomo Ghiringhelli, Dipartimento di Fisica) in collaborazione con il Max
Planck Institute di Stoccarda ed alcuni gruppi di ricerca del Sincrotrone Svizzero SLS con
l’utilizzo dello spettrometro SAXES, lo strumento di misura in gran parte progettato e
costruito presso il Dipartimento di Fisica del Politecnico e installato presso il Sincrotrone
SLS.
Il metodo di indagine è basato sul bombardamento del materiale in esame con raggi x di
energia scelta in modo da interagire unicamente con gli ioni di rame nel materiale. I raggi x
“rimbalzano” così unicamente sugli atomi di rame, quelli più importanti per le proprietà
fisiche dei cuprati. L’energia perduta nell’urto, misurata con lo spettrometro SAXES, ci
fornisce l’informazione sulle proprietà magnetiche del materiale.
La rivista “Physics today” (http://www.physicstoday.org/), bollettino di informazione
scientifica dell’American Physical Society ha rilanciato la notizia sul proprio sito e
pubblicherà un approfondimento nel prossimo numero a stampa.
