La storia della Superconduttività
La scoperta della Superconduttività risale al 1911. La necessità di raggiungere temperature prossime allo zero assoluto per ottenere la transizione da conduttore a superconduttore ne aveva impedito di fatto l’utilizzazione pratica. A partire dal 1986, la scoperta dei superconduttori ad alta temperatura di transizione (maggiore di 77 K, temperatura di liquefazione dell'azoto) ne ha permesso l'uso in moltissime applicazioni tecnologiche.
Progressi nella refrigerazione a inizio secolo
La superconduttività fu scoperta grazie allo studio della refrigerazione a basse temperature; enormi progressi in questo campo furono fatti alla fine del XIX secolo in particolare dal fisico olandese Heike Kammerlingh Onnes. Il 10 luglio 1908 egli riuscì nel compito di liquefare l'elio, portandone pochi mm 3 alla temperatura di 4 K.
Scoperta della superconduzione
Il fisico olandese cominciò ad investigare le proprietà elettriche dei metalli a temperature molto basse e nel 1911 fu scoperta la superconduttività. Al tempo due ipotesi tentarono di spiegare il fenomeno, la prima affermava che gli elettroni fossero congelati dall'abbassarsi della temperatura (Lord Kelvin), La seconda ipotesi suggeriva una diminuzione della resistenza all'abbassarsi della temperatura permettendo alla corrente un flusso imperturbato o quasi (Onnes); Onnes fece passare una corrente attraverso un filo di mercurio purissimo misurandone la resistenza al diminuire della temperatura; non osservò né una brusca diminuzione della resistenza né tanto meno il congelamento degli elettroni ma, alla temperatura di 4.2 K la resistenza scomparve totalmente.
H. K. Onnes, Commun. Phys. Lab.12,120, (1911)
Onnes affermò che "il mercurio era passato in un nuovo stato che in base alle straordinarie proprietà elettriche può essere indicato come stato superconduttivo". L'esperimento non lasciava dubbi circa la scomparsa della resistenza nel filo di mercurio. Lo scienziato intuì subito l'importanza della scoperta anche da un punto di vista commerciale: un conduttore privo di resistenza può trasportare corrente a qualsiasi distanza senza perdite! In uno dei suoi esperimenti Onnes fece passare una corrente in un filo chiuso raffreddato a 4 K. Un anno dopo la corrente ancora fluiva nel filo senza perdite misurabili.
Onnes trovò che i superconduttori permettono l'esistenza di quelle che lui chiamò correnti persistenti, cioè correnti elettriche che continuano a fluire senza una differenza di potenziale che le sostenga. Il fisico olandese vinse il premio Nobel per la Fisica nel 1913.
Scoperta dell'Effetto Meissner
La resistenza nulla al flusso di corrente elettrica non rimase l'unico motivo di meraviglia; il comportamento dei metalli superconduttori in un campo magnetico esterno si rivelò altrettanto sbalorditivo. Nel 1933 due fisici tedeschi, Karl Walther Meissner e Robert Ochsenfeld, scoprirono che i superconduttori, oltre ad essere perfetti conduttori di elettricità, sono anche dei perfetti materiali diamagnetici, capaci cioè di espellere il flusso magnetico che contengono quando vengono raffreddati al di sotto della propria temperatura di transizione. La completa espulsione del flusso magnetico è nota oggi sotto il nome di Effetto Meissner. L'Effetto Meissner avviene solo se il campo magnetico è relativamente piccolo: se questo è troppo grande penetra nel superconduttore e il metallo perde il suo stato superconduttivo. Assieme all'assenza di resistenza, è stata proprio questa capacità di espellere il flusso magnetico a suscitare gli enormi interessi di ricerca nel campo della superconduttività.
Prime spiegazioni fenomenologiche (Ginzburg e Landau)
dallo stato normale a quello di superconduzione, i due scienziati riuscirono a formulare una serie di equazioni che descrivevano il fenomeno; non si riusciva però a spiegare a livello microscopico perché questo si verificasse.
Spiegazione microscopica: la teoria BCS
Nel 1957 tre fisici americani dell'Università dell'Illinois, John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer svilupparono un modello per descrivere a livelo microscopico la superconduttività. Il modello è basato sulla meccanica quantistica e l'idea di base prevede che in un superconduttore gli elettroni di conduzione si propagano senza incontrare resistenza perché si muovono in coppie, le cosiddette coppie di Cooper; queste coppie di elettroni si formano perché a bassa temperatura prevalgono, anche per il comportamento del reticolo cristallino, gli effetti quantistici. Le vibrazioni del reticolo cristallino, quantizzate, interagiscono con gli elettroni di conduzione favorendone l’unione in coppie che possono spostarsi, grazie a questa interazione, senza nessun attrito all’interno del materiale.
Lo stato superconduttivo è caratterizzato da una temperatura critica o temperatura di transizione, insieme al campo magnetico critico e alla densità di corrente critica. Per valori della temperatura o del campo magnetico al di sopra dei valori critici, le vibrazioni termiche del reticolo cristallino (chiamate fononi) distruggono le coppie di Cooper e di conseguenza lo stato di superconduzione del metallo. Nel 1972 i tre scienziati vinsero il premio Nobel per la Fisica e da allora la loro teoria microscopica della superconduttività è indicata come teoria BCS.
Scoperta dei superconduttori ad alta Tc (HTcS)
Nel 1986 J. Georg Bednorz e K. Alex Muller nei laboratori IBM di Zurigo conducevano esperimenti su una particolare classe di ceramiche a base di ossido di rame, chiamate perovskiti. I due avevano sperimentato centinaia di differenti composti ossidi. Lavorando con ceramiche di lantanio, bario, rame e ossigeno (formula chimica La2xBaxCuO4) essi trovarono evidenze di superconduttività a 35 K. Nel febbraio del 1987 fu individuata una ceramica perovskite in grado di supercondurre a 90 K (formula chimica YBa2Cu3O7). Questa scoperta fu molto importante in quanto da quel momento divenne possibile usare come mezzo refrigerante l'azoto liquido (punto di ebollizione a 77 K), sostanza comunissima e facile da produrre. Viste le temperature in gioco si cominciò ad indicare questi materiali come Superconduttori ad alta temperatura critica (HTcS High Critical Temperature Superconductors).
Al momento sono in corso numerosi sforzi economici e scientifici nel campo degli HTcS. La facilità di raffreddare i nuovi superconduttori ha notevolmente influenzato gli sforzi nello sviluppo di nuovi materiali, nelle tecniche di fabbricazione e nelle ricerche teoriche per tener conto delle molteplici proprietà dei nuovi superconduttori ceramici.
Ultimi progressi:
Scoperta dei fullereni
I fullereni, come le ceramiche superconduttrici, sono una scoperta recente. Nel 1985 R.F. Curl e R.E.
Smalley della Rice University in Houston e H.W. Kroto dell'Università of Sussex di Brighton, in Inghilterra, sintetizzarono accidentalmente tale composto organico. Il fullerene è stabile a livello molecolare quando 60 atomi di carbonio si uniscono in pentagoni ed esagoni a formare una sfera chiusa. composto di
C
60 .Per tutti i superconduttori esiste una regione di temperature critiche e campi magnetici critici all'interno della quale superconducono. L'unità di misura del campo magnetico e il Tesla, T, pari a 10 4 G (dove G indica il gauss, unità di misura utilizzata per deboli campi magnetici). Il campo magnetico terrestre è pari a 0.5 G.
Elemento Tc [K] Bc [mT] Elemento Tc [K] Bc [mT]
Hg (mercurio) 4.15 41.2 Zr (zirconio) 0.55 4.7 In (indio) 3.40 29.3 Ti (titanio) 0.39 10 La (lantanio) 6.00 110.0 Zn (zinco) 0.88 5.3
Sn (stagno) 3.72 30.9 Ru (rutenio) 0.51 7 Ta (tantalio) 4.48 83.0 Cd (cadmio) 0.56 3 Tc (tecnezio) 7.77 141.0 Ga (gallio) 1.09 5.1 Th (torio) 1.37 16.2 W (tungsteno) 0.01 1.1 Tl (tallio) 2.39 17.2 Ir (iridio) 0.14 1.9 V (vanadio) 5.38 142.0 Os (osmio) 0.66 6.5
La coppia di Cooper rimane stabile tutto il tempo in cui il superconduttore è raffreddato a temperature molto basse. Non appena il superconduttore riceve energia termica le vibrazioni del reticolo ( i fononi) aumentano e distruggono le coppie di elettroni.
Vediamo nelle tabelle seguenti le temperature critiche di alcuni composti e di alcuni metalli superconduttori.
Composto Tc [K] Composto Tc [K]
NbTi 9.2 BaPb0.75Bi0.25O3 11
Nb3Al 18.8 UBe13 0.75
V3Ga 15 Pb0.7Bi0.3 8.45
PbMo6S8 14 V3Si 1.71
Nb3Sn 18.05 (SN)x 0.26
Nb3Ge 22.3 (BEDT)2Cu(NCS)2 10
NbN 16 La1.8Sr0.2CuO4 38
NbO 1.2 Bi2CaSr2Cu2O8+X 90
Elemento Tc[K]
Hg (mercurio) 4.15 La (lantanio) 4.9 Pa (protoattinio) 1.4 Re (renio) 1.698 Ru (rutenio) 0.49 Tl (tallio) 2.39 U (uranio) 0.68 Tl (tallio) 2.39 V (vanadio) 5.30
