I superconduttori: materiali che in certe condizioni non hanno resistività elettrica

I superconduttori sono particolari materiali che, se raffreddati fino a temperature molto basse, e comunque al di sotto di una temperatura Tc, detta temperatura critica e caratteristica di ogni materiale, vedono bruscamente annullarsi la loro resistività elettrica

Il fenomeno, scoperto nel 1911 da H. Kamerlingh Onnes consiste in un brusco abbassamento della resistività di alcuni materiali (p. es. titanio, vanadio, niobio, stagno, niobio-alluminio, niobio-stagno, ecc.), detti perciò superconduttori, che ha luogo a temperature vicine allo zero assoluto.

Una corrente elettrica immessa in una spira superconduttrice scorre praticamente all’infinito e senza produrre calore. Un superconduttore può trasportare grandi quantità di corrente elettrica senza dissipare energia sotto forma di calore e una corrente elettrica immessa in un anello superconduttore può circolare per molti anni senza alcuna misurabile dissipazione. Alla base di questo straordinario fenomeno vi è un processo quantistico che consente agli elettroni che trasportano la corrente di muoversi tutti insieme (a coppie elettrone-elettrone: le coppie di Cooper) come se fossero una unica “macroentità”. Ogni coppia di Cooper può essere trattata come una singola particella con massa e carica pari al doppio di quella di un elettrone.

La superconduttività fu scoperta da H.K. Onnes nel mercurio nel 1911. Solo nel 1957 J. Bardeen, L.N. Cooper e J.R. Schrieffer riuscirono a formulare una teoria microscopica della superconduttività, basata sulla meccanica quantistica. Secondo tale teoria il moto di un elettrone di conduzione distorce leggermente il reticolo cristallino, facendo avvicinare gli ioni positivi più vicini al suo passaggio.

Questa sovradensita’ di ioni positivi causa l’ attrazione di un altro elettrone, ed il risultato netto e’ una forza attrattiva tra elettroni. Il suo effetto è la creazione di coppie di elettroni debolmente legati che si muovono insieme senza scambiare energia col reticolo. 

Un grande impulso allo studio della superconduttività è stato dato dalla scoperta dei superconduttori ad alta temperatura critica dovuta a J.G. Bednorz e K.A. Muller dei laboratori IBM di Zurigo nel 1986. I due ricercatori rilevarono superconduttività a 35 K in una ceramica di lantanio,bario,
rame e ossigeno. Un grande entusiasmo fu suscitato nel 1987, dalla realizzazione di una ceramica a base di ittrio in grado di supercondurre a 90 °K. A tali temperature diviene possibile usare come refrigerante l’azoto liquido (punto di liquefazione a 77 K), invece del più costoso elio. Attualmente la più alta temperatura critica, 133 K, è stata raggiunta da un materiale ceramico a base di mercurio. Un’altra particolarità dei materiali superconduttori è il cosiddetto effetto Meissner, scoperto nel 1933 da K. W. Meissner e R. Ochsenfeld.

Un qualunque conduttore che immerso in un campo magnetico esterno non induce cambiamenti nel campo magnetico stesso e si oppone alla crescita del campo nel suo interno, è detto diamagnetico. Quando poniamo un superconduttore sotto TC entro un campo magnetico, esso si comporta proprio da diamagnetici. Infatti, in un sottile strato interno, ma prossimo alla superficie, si generano “ supercorrenti” che schermano il campo magnetico e gli impediscono di penetrare. Questa capacità si mantiene fino a un certo campo magnetico critico BC, oltre il quale il superconduttore perde in ogni caso le sue due proprietà fondamentali: resistenza nulla e diamagnetismo perfetto. Per tutti i superconduttori esiste una ragione di temperature critiche e  campi magnetici critici all’interno della quale superconducono. Questo fenomeno per cui il superconduttore espelle il campo magnetico, va sotto il nome di effetto Meissner visibile in figura:

EfektMeisnera

Un interessante esperimento che sfrutta le caratteristiche dei superconduttori è quello della levitazione magnetica: ponendo un magnete sul materiale superconduttore alla temperatura ambiente ( circa 300 K) e versando azoto liquido in modo da portare i materiali alla temperatura di 77 K il magnete si solleva dal superconduttore e rimane sospeso in una posizione di equilibrio stabile. Al di sotto della temperatura critica nel superconduttore nascono delle correnti circolari locali (vortici) con conseguenti campi magnetici che sollevano il magnete ponendolo in equilibrio stabile al di sopra del superconduttore come si può vedere nell’immagine:

position

 

Tipi di superconduttori.

Le ricerche sulla superconduttività portarono ad una classificazione dei materiali superconduttori in due tipi, quelli di tipo I e quelli di tipo II. I superconduttori di tipo I tendono ad essere superconduttori in condizioni di bassa temperatura e debole campo magnetico. Se il campo raggiunge l’intensità critica, che dipende dal materiale, esso entra nel materiale distruggendo lo stato di superconduzione.

I superconduttori di tipo II sono molto più utili: essi rimangono nello stato di superconduzione anche dopo la penetrazione del campo magnetico. I superconduttori di tipo II possono sopportare campi molto forti e quindi trasportare correnti più intense. Le classi di superconduttori di tipo I e di tipo II si possono distinguere facendo riferimento a due importanti caratteristiche: la lunghezza di coerenza e la lunghezza di penetrazione. La lunghezza di coerenza è la separazione spaziale degli elettroni all’interno di una coppia di Cooper, cioè le dimensioni medie della coppia.

Nei superconduttori convenzionali, la lunghezza di coerenza può andare da alcune decine ad alcune centinaia di nanometri. La lunghezza di penetrazione è relativa all’effetto Meissner: le correnti indotte che creano il campo magnetico che si oppone a quello esterno applicato cancellandolo dall’intero materiale, decadono esponenzialmente in intensità all’aumentare della distanza dalla superficie del superconduttore; la distanza lungo la quale avviene questo decadimento è proprio la lunghezza di penetrazione.

Nei superconduttori convenzionali essa può andare da alcune decine ad alcune centinaia di nanometri. I superconduttori di tipo I sono basso fondenti e fisicamente teneri. In questi materiali la lunghezza di coerenza è maggiore della profondità di penetrazione, di conseguenza questi materiali tendono ad essere superconduttori in condizioni di bassa temperatura e debole campo magnetico.

Se il campo raggiunge l’intensità critica, entra nel materiale distruggendo lo stato di superconduzione. Il mercurio, che è stato il primo metallo superconduttore scoperto, è un esempio di superconduttore del I tipo. La sua temperatura critica ha lo storico valore di 4.2 K  rilevabile dalla figura:

mercurio

Dato che nei superconduttori di tipo I la superconduzione scompare in assenza di campi abbastanza modesti, questi materiali presentano uno scarso interesse dal punto di vista tecnologico. I superconduttori di tipo II sono tecnologicamente molto più utili.

La profondità di penetrazione di questi materiali è minore della lunghezza di coerenza e pertanto essi rimangono allo stato di superconduzione anche dopo la penetrazione del campo magnetico. I superconduttori di tipo II possono sopportare campi molto forti e quindi trasportare correnti più intense. Tutti i superconduttori di interesse tecnologico sono di questo tipo.

Negli anni ’50 Aleksej A. Abrisokov pubblicò la teoria di base sul comportamento di un superconduttore convenzionale di tipo II in presenza di campo magnetico in cui dimostrò che il comportamento magnetico di un superconduttore di tipo II al di sotto della temperatura critica dipende dalla intensità del campo applicato e dalla temperatura. Tale fenomeno dimostra che un superconduttore convenzionale ha tre stati magnetici distinti.

Il primo è lo stato di Meissner, cioè lo stato in cui il materiale espelle totalmente il flusso magnetico applicato. Questo stato esiste fino a che non si supera un certo campo, detto campo critico inferire. A questo punto il campo magnetico può ancora penetrare nel superconduttore, ma non completamente e uniformemente.

La penetrazione nel materiale avviene per mezzo di tubi di flusso che formano intrusioni tubolari del campione applicato.La meccanica quantistica dei superconduttori richiede che ogni tubo di flusso porti la stessa quantità di flusso magnetico (quanto di flusso). Il terzo stato si raggiunge se il campo magnetico arriva a un secondo e più alto campo critico. Al di sopra di questo valore lo stato superconduttivo viene totalmente distrutto. Con l’avvento di materiali superconduttori ad alta temperatura le applicazioni si sono moltiplicate.

Si possono costruire filtri elettronici senza perdite, quindi con molti più stadi e maggiore efficienza per selezionare le frequenze desiderate. Si possono costruire motori con avvolgimenti superconduttori molto più compatti e più efficienti. L’applicazione più futuristica dei superconduttori è costituita dalla realizzazione del supercomputer in grado di raggiungere una velocità di elaborazione di 1000 volte superiore a quella del computer più veloce realizzato fino ad oggi, mantenendo dimensioni e consumi molto ridotti rispetto a un computer equivalente realizzato con l’attuale tecnologia basata sui semiconduttori.

Nel supercomputer, i superconduttori funzionerebbero da interruttori logici inserendoli in giunzioni Josephson: si tratta, sostanzialmente, di due superconduttori separati da un sottile strato isolante; al di sotto della loro TC, quando il primo è attraversato da una corrente elettrica inferiore a un certo valore critico IC , questa passa anche nel secondo, ignorando completamente lo strato isolante. modulando la corrente che passa nel primo, si possono avere frequenze di switching superiori a 1012 Hz.

E ora una riflessione: nei superconduttori l’elettricità fluisce senza che venga opposta resistenza in quanto gli elettroni che trasportano la corrente elettrica si muovono tutti insieme in modo coerente come se fossero un’unica gigantesca particella.

La coerenza è quindi la forza che crea unità e coesione, sinergia dinamica e armonia. Valutando ciò da un punto di vista più ampio possiamo dire che la coerenza è la legge fisica dei nostri affetti dove per affetto si intende “ comunione di intenti”: quando due soggetti entrano un uno stato di comunicazione empatica tra le onde encefalografiche dei loro cervelli  esiste un forte aumento di coerenza che determina la riduzione del livello generale di stress. L’effetto ha una stretta analogia con vari fenomeni chimici e fisici, frequenti ad esempio nel magnetismo, in cui una piccola frazione di elementi ordinati in un sistema disordinato determina un aumento considerevole del grado di ordine collettivo del sistema.

Il raggiungimento dell’empatia tra due esseri umani non può che essere un beneficio per entrambi, sia se considerati come singole entità, sia se considerati un tutt’uno essendo in grado di proiettarsi sinergicamente nel macrocosmo per il raggiungimento dei loro obiettivi.

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Author: Chimicamo

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