superconducibilità
Indice
Descrizione generale
sf. [sec. XX; super-+conducibilità]. Fenomeno, denominato anche superconduttività, scoperto nel 1911 da H. Kamerlingh Onnes consistente in un brusco abbassamento della resistività di alcuni materiali (per esempio titanio, vanadio, niobio, stagno, niobio-alluminio, niobio-stagno ecc.), detti perciò superconduttori, fino a valori estremamente bassi, che ha luogo a temperature, dette temperature critiche, vicine allo zero assoluto (vedi anche conduzione). Quando in una spira superconduttrice si genera per induzione una corrente elettrica, questa scorre praticamente all'infinito e senza produrre calore. Alla base del fenomeno vi è un processo quantistico che consente agli elettroni che trasportano la corrente (coppie di Cooper) di muoversi tutti insieme come fossero un'unica "macroentità". Ne consegue che la corrente elettrica scorre praticamente senza ostacoli. In campo sperimentale, lo studio della superconducibilità a bassa temperatura è stato esteso ad altre sostanze superconduttrici. Tra queste sono state prese in esame il borato di magnesio e un cristallo molecolare di origine organica. A quest'ultimo riguardo si è scoperto che gli anelli di carbonio contenuti in un film di materiale organico, l'acene, perdono la loro resistenza elettrica e producono campimagnetici quando vengono raffreddati al di sotto di una certa temperatura. Sono stati studiati tre diversi tipi di questo materiale: l'antracene (che contiene tre anelli di carbonio), il tetracene (quattro anelli) e il pentacene (cinque anelli). La transizione di temperatura va da 2 K per il pentacene a 4 K per l'antracene e la variazione è coerente con il meccanismo che spiega il fenomeno della superconducibilità alle basse temperature. Il tetracene, inoltre, presenta l'effetto laser ed è questo il primo caso di un materiale organico che produca un'azione laser stimolata elettricamente. Un fenomeno analogo alla superconducibilità a bassa temperatura critica, detto di superconducibilità ad alta temperatura critica, è stato scoperto nel 1986 da J.G. Bednorz e K.A. Müller in materiali ceramici (sali di rame) a temperature comprese tra 23 e 25 kelvin.
Superconducibilità ad alta temperatura
Mentre la teoria BCS, o teoria di Bardeen-Cooper-Schrieffer, spiega il fenomeno della superconducibilità a bassa temperatura, per la superconducibilità ad alta temperatura esistono solo diverse teorie per le quali i dati sperimentali non consentono di decidere in modo definitivo. Secondo la teoria BCS, la superconducibilità a bassa temperatura si presenta quando gli elettroni formano coppie, dette coppie di Cooper, che condensano dando luogo a uno stato quantico con resistenza elettrica nullla. Secondo questa teoria la superconducibilità si ha perché gli elettroni si accoppiano a seguito di interazioni con vibrazioni del reticolo cristallino note con il nome di fononi. Le teorie della superconducibilità ad alta temperatura, invece, partono dalla constatazione che tutti i superconduttori ad alta temperatura presentano piani paralleli di ossido di rame, in cui gli atomi di rame si trovano su un reticolo cristallino in cui la carica elettrica è costituita da buche in corrispondenza delle posizioni dell'ossigeno. Tutti gli atomi di rame hanno un elettrone spaiato e presentano pertanto un momento magnetico di spin. Per studiare la disposizione di questi momenti magnetici, un gruppo dell'Università di Bristol, in Gran Bretagna, ha esposto a un fascio di neutroni un superconduttore YBCO (ossido di ittrio, bario e rame) scoprendo che gli spin del rame hanno un comportamento collettivo. È stato quindi ipotizzato che questa eccitazione magnetica collettiva fornisca il collante che tiene unite coppie di Cooper nel materiale superconduttore. Un comportamento simile è stato osservato nel materiale superconduttore LBCO (ossido di lantanio, bario e rame) da una collaborazione tra il Brookhaven National Laboratory negli USA con l'Università di Tohoku in Giappone. Si è quindi fatta strada l'ipotesi che, nella superconducibilità ad alta temperatura, gli spin magnetici svolgano un ruolo chiave. Nel febbraio del 2004, infine, un gruppo di fisici sperimentali canadesi e statunitensi ha fornito ulteriori prove sperimentali che la superconducibilità dei sali di rame è dovuta a correlazioni magnetiche (modello ad accoppiamento magnetico) tra coppie di elettroni, risultato che porta a escludere le teorie alternative basate su fononi e su creazione di stati di risonanza magnetica.
Applicazioni
Applicazioni della superconducibilità si hanno nei campi più avanzati della tecnologia moderna: nella costruzione di giganteschi acceleratori di particelle (dove bobine superconduttrici vengono usate per generare potentissimi campi magnetici), nella trazione elettrica ferroviaria (treni a levitazione magnetica), negli apparecchi sperimentali per la fusione termonucleare controllata e nelle tecnologie per i calcolatori superveloci. Anche nella superconducibilità ad alta temperatura si hanno notevoli sperimentazioni. A Detroit, negli Stati Uniti, sono stati installati cavi superconduttori ad alta temperatura in grado di fornire energia elettrica alla rete urbana. I fili superconduttori sono disposti attorno a un nucleo centrale cavo nel quale viene fatto scorrere l'azoto liquido che consente di raggiungere la temperatura critica di superconducibilità.