4. 1 Introduzione
Nella prospettiva di una ricostruzione concettuale dei contenuti, si presentano qui le principali tappe storiche delle ricerche sulla superconduttività, discutendo i principali risultati sperimentali raggiunti in questo ambito e i principali modelli sviluppati per descriverlo.
4.2 Le principali tappe storiche della superconduttività
La superconduttività fu scoperta tra Aprile e Maggio del 1911 dal fisico olandese H.K. Onnes.
All’epoca di Onnes, a Leida, le principali linee di ricerca vertevano sullo studio delle proprietà dell’elio, liquefatto lì per la prima volta nel 1904, e sullo studio dei sistemi fisici alle basse temperature (ottenute proprio usando l’elio liquido).
Prima del 1911 si riteneva che la resistività avesse un valore residuo al di sotto del quale non potesse scendere. Gli esperimenti condotti a basse temperature avevano come scopo la determinazione di questo valore residuo; come primo metallo fu utilizzato il mercurio. Tale elemento liquefa ad una temperatura piuttosto bassa (234,32 K, ovvero -38,83°C).
Negli anni successivi furono proposte varie teorie fenomenologiche e nel 1957 Bardeen, Cooper e Schriffer sviluppano la teoria microscopica della superconduttività basata sulla meccanica quantistica, nota come BCS Theory. Questa teoria costituisce tuttora la spiegazione più esauriente della superconduttività dei materiali metallici.
L’anno prima Cooper presentò un problema riguardante coppie di elettroni legati in un gas di Fermi degenere.
Tra gli anni ’60 e ’70 furono studiati composti di leghe intermetalliche caratterizzate da temperature di transizione più alte.
Nel 1986, a seguito di lunghi studi sulle proprietà elettroniche delle perovskiti (che possiedono importanti proprietà ferroelettriche), Muller e Bednorz ottennero la transizione allo stato superconduttivo ad oltre 30K nel composto Ba - La - Cu - O: questo esperimento aprì la strada ad una nuova classe di superconduttori che transiscono a temperature superiori a 90 K e che possono essere raffreddati con azoto liquido. Questi sono detti superconduttori ad alta temperatura critica (HTS); l’anno successivo vinsero il Premio Nobel.
L’osservazione del comportamento superconduttivo nei materiali ferroelettrici fu una scoperta rivoluzionaria, poiché fino agli anni ’60 si pensava che tali materiali non potessero essere superconduttivi. Nel 1988, Parkin scoprì la superconduttività a 125 K nel composto Ti2Ca2Ba2Cu3Ox e nel 1993 ci fu la
scoperta della superconduttività a 135 K nel composto HgBa2Ca2Cu3O8. Non esiste ancora, però, una teoria
microscopica, come BCS, in grado di spiegare la superconduttività ad alte temperature.
Negli ultimi anni è stato scoperto un altro materiale interessante, Sr2RuO4, che è il primo materiale
superconduttore di tripletto, anche se è caratterizzato da una temperatura di transizione piuttosto bassa (si veda Paragrafo 4 per i dettagli).
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Nel 2008 si è visto che sostituendo nel composto LaOFeAs (che è superconduttivo a bassissime temperature) una parte di ossigeno con il fluoro, la temperatura di transizione aumenta fino a circa 60K. È stato osservato che la proprietà superconduttiva è legata al ferro.
Un campo di ricerca attuale riguarda lo studio di effetti di superficie dei “materiali superconduttori topologici”, nei quali tali effetti di superficie sono più rilevanti di quelli bulk.
Attualmente sappiamo che in molti metalli che non sono caratterizzati da un ordine magnetico, a temperature estremamente basse, si manifesta lo stato superconduttivo. Oltre 20 elementi metallici diventano superconduttori al di sotto di una certa temperatura critica (Tc); altri elementi acquistano questa
peculiarità sotto precise condizioni (alta pressione; sottoforma di film sottili). Di seguito si può osservare la tavola periodica degli elementi dove sono stati evidenziati gli elementi superconduttivi:
Figura4.1: Tavola periodica degli elementi; sono evidenziati gli elementi superconduttivi
Dalla tavola periodica in Figura 3.1 si nota che non sono superconduttivi Cu, Ag, Au, cioè quelli che sono “i buoni metalli”. Questa è un’evidenza sperimentale. Viceversa diventano superconduttori materiali che a temperature ordinarie non sono dei buoni conduttori.
4.3Le proprietà fondamentali dei superconduttori
Dai primi esperimenti condotti a basse temperature fu osservato per il mercurio un andamento del tipo riportato in Figura3.1.
31 Figura4.2: Andamento qualitativo della resistività in funzione della temperatura
Figura4.3: Caduta a zero della resistività in un film a crescita epitassiale di YBa2Cu3O7 (Hopfengärtneret al.,
1991).
Fu osservata un’improvvisa transizione nel diagramma resistività- temperatura del mercurio. Essa diminuiva con brusca transizione dal valore di 0.12Ωm a 10-5 Ωm a 4.2K, ma questa stima era legata alla sensibilità dello strumento, pertanto la resistività si può considerare nulla.
Onnes osservò che tale elemento passava in uno stato con proprietà elettriche completamente diverse da quelle note fino a quel momento e lo chiamò “stato superconduttivo”. Egli eseguì lo stesso esperimento con altri metalli e osservò un comportamento simile a quello del mercurio.
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Un’altra importante evidenza sperimentale (1933 da Meissner e Ochsenfeld in Germania) fu che questi elementi nella fase superconduttiva diventano perfetti diamagneti, cioè all’interno si genera un campo magnetico che si oppone al campo esterno applicato.
Fu osservato che la suscettività aveva l’andamento del tipo in Figura3.4
Figura 4.4:(a) Andamento della suscettività in funzione della temperatura misurata in due diverse condizioni ZFC raffreddamento a campo nullo (circoletti chiusi)e raffreddamento a campo diverso da zero (circoletti aperti) per una soluzione resa in polvere(cerchi) e campioni di granoallineatidiYBa2Cu3O7in un campo
di5mT conBAPPװc(triangoli) eBAPP⊥c(quadrati), (b) suscettività normalizzata per campioni raffreddati a campo
nullo di(a), (c) misure di χ a FC a0,3T, tracciate con la stessa convenzione (Lee e Johnston, 1990).
Figura 4.5:Dipendenza dalla temperatura del reciproco della suscettibilità 1/χ per una vasta serie di terre rare R elemento sostituto R Ba2Cu3O7-δ di superconduttori nella gamma di temperature 100-300 K in un
campo di 1 T (linee continue). I dati per i corrispondenti composti non superconduttivi riscaldati sottovuoto(linee tratteggiate) vengono mostrati per confronto. Il comportamento lineare è indicativo per il paramagnetismo (Tarascon et al., 1987b)
33 Proprietà 2
Figura4.6: Andamento qualitativo della suscettività in funzione della temperatura
Figura4.7:Flusso di corrente attraverso un filo normale a sinistra e superconduttore di tipo I a destra. Si noti che la profondità di penetrazione λ determina lo spessore sia della regione di transizione all'interfaccia che quella dello strato superficiale.
Figura4.8:Andamento del campo magnetico interno r < R ed esterno r > R in funzione della distanza dal centro di un cavo superconduttivo in cui fluisce una corrente I confinata nello strato superficiale.
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Proprietà 3
Figura4.9.Discontinuitànelcalore specifico di un campione di (La0.9Sr0.1)2
CuO4in prossimità dei 40K. Nel riquadro viene messo in rilievo l’ampiezza del salto. L’andamentoAT 3
indicato dalla curva tratteggiata mostra come la transizione avvenga oltre la regione dove rimane valida l’approssimazione T3.
Figura 4.10. Salto del calore specifico termico tra l’Al superconduttivo confrontato con il calore specifico nello stato normale(Phillips, 1959, vedi Crow eOng, 1990, p225.).