Nel 1911 Gilles Holst, all’epoca studente di dottorato nel laboratorio del Prof. Kammerlingh Onnes, non poteva certo immaginare che di lì a poco sarebbe stato il primo a osservare un nuovo fenomeno fisico, la superconduttività, destinato a rivoluzionare completamente la fisica dei solidi e non solo.
La scoperta del giovane Holst
Nel 1908 nel laboratorio di Onnes a Leida si era riusciti a liquefare l’elio, ultimo tra i gas inerti a essere condensato, portandolo a 4 K (= -269 °C). Quel giorno solo pochi millilitri di elio furono liquefatti, ma ciò aprì la strada all’esplorazione di regioni di temperatura precedentemente irraggiungibili. Onnes cominciò infatti a investigare le proprietà elettriche dei metalli, come la resistività, a bassissime temperature. Schematizzando un solido per semplicità come un reticolo costituito da atomi circondati da una nuvola di elettroni, possiamo immaginare un isolante come un sistema in cui questa nuvola di elettroni resta legata intorno agli atomi del reticolo, mentre un metallo come un reticolo in cui gli elettroni sono liberi di muoversi e trasportare corrente. La resistività di un mezzo dipende dal fatto che nel loro moto gli elettroni urtano fra loro e con gli ioni del reticolo. Il moto risulta ostacolato e gli elettroni sono di fatto rallentati. Nella collisione infatti l’energia si trasferisce dall’elettrone in moto allo ione che comincia a vibrare sempre più intorno alla sua posizione di equilibrio (il sito del reticolo). Una certa quantità di energia viene quindi dissipata sotto forma di calore. Già all’epoca era chiaro che aumentare la temperatura in un conduttore significava in pratica far oscillare maggiormente gli ioni del reticolo aumentando così la probabilità degli urti fra questi e gli elettroni in moto; questo spiegava perché la resistività dovesse aumentare con la temperatura.
Non era ancora chiaro tuttavia quale fosse il comportamento della resistività di un metallo a bassissime temperature. I modelli teorici fino ad allora predicevano due possibili comportamenti: nel primo caso gli elettroni avrebbero dovuto congelarsi all’abbassarsi della temperatura portando dunque all’osservazione di un aumento della resistività del campione (se gli elettroni sono bloccati non ci sono portatori liberi in grado di trasportare la corrente), mentre la seconda prevedeva il raggiungimento di un non ben definito valore minimo della resistenza determinato unicamente dalle imperfezioni presenti nel materiale.
Figura 1 – All’inizio del ’900, le estrapolazioni teoriche dell’andamento
della resistivita del mercurio a basse temperature prevedevano due sce- `
nari, in cui la resistivita a zero Kelvin era sempre diversa da zero. Il gio- `
vane Holst dimostro nel 1908 come la realt ` a fosse ben diversa e scopr ` `ı la
superconduttivita del mercurio sotto ` Tc = 4K.
Fu una gran sorpresa per Onnes scoprire che le osservazioni condotte dal suo studente Holst su un campione di mercurio purissimo non supportavano nessuna delle teorie proposte, ma anzi evidenziavano un comportamento anomalo della resistività caratterizzato da un crollo improvviso a una temperatura, detta critica, di circa 4 K. Onnes, scettico, chiese a Holst di ripetere e verificare i risultati dell’esperimento, ma di fronte all’evidenza dell’accuratezza e precisione di Holst non poté che ammettere che si era di fronte a un fenomeno fino ad allora inosservato, un nuovo stato della materia caratterizzato da un valore nullo della resistività a basse temperature e per questo battezzato stato superconduttivo.
Lo scienziato intuì immediatamente l’importanza della sua scoperta anche da un punto di vista commerciale: infatti un superconduttore può trasportare corrente a qualsiasi distanza senza effetti dissipativi. Da bravo scienziato si propose da subito come primo obiettivo di verificare sperimentalmente il fenomeno. Fu un successo: Holst eseguì un test su un anello superconduttore e verificò che una volta immessa una corrente (per esempio tramite una batteria) la corrente continuava a circolare nell’anello anche quando la batteria veniva disconnessa. Ciò voleva dire che l’impulso di corrente che era entrato tramite la pila in quel circuito non si era dissipato a causa della resistenza del materiale, ma continuava a circolare. E quella corrente, detta persistente, restò per ore fin quando non evaporò l’elio liquido e il mercurio si scaldò tornando a essere un conduttore normale. In un esperimento simile svolto negli anni Sessanta a Leida si vide la circolazione della corrente per due anni. Essa si interruppe solo a causa di uno sciopero dei trasporti che impedì il rifornimento di elio liquido.
Questa clamorosa scoperta valse a Onnes il premio Nobel per la Fisica nel 1913 e al giovane Holst il posto di direttore
ai laboratori di fisica della Philips!
Semplicemente superconduttori?
Un superconduttore è dunque semplicemente un metallo perfetto? No, infatti oltre alla resistenza nulla, un superconduttore è caratterizzato da un’altra straordinaria proprietà: è in grado di espellere completamente le linee di campo magnetico. Questo fenomeno è noto con il nome di effetto Meissner (dal nome dello scopritore del fenomeno, visto per la prima volta nel 1933).
In natura esistono diversi materiali che se immersi in un campo magnetico hanno la tendenza a espellere le linee di campo: questi materiali sono detti diamagnetici. Questo effetto tuttavia è tipicamente molto debole. Nei superconduttori invece, a causa dell’effetto Meissner, si creano delle correnti superficiali che generano un campo uguale e opposto a quello esterno in modo da annullarlo completamente. Un superconduttore si comporta dunque come un perfetto diamagnete. Quanto detto vale solo se il campo magnetico in cui il superconduttore è immerso non è troppo intenso. In questo caso, infatti, il superconduttore dovrebbe spendere troppa energia per generare un campo tale da annullare quello esterno e trova quindi energicamente più favorevole smettere di essere un superconduttore e tornare alla fase metallica.
Figura 2 – Nel 1933 Meissner scopr`ı che i metalli nella fase superconduttiva
non permettono ai campi magnetici esterni (purche non troppo ´
intensi) di penetrare al loro interno: e su questa propriet ` a che si basa il `
fenomeno della levitazione magnetica
L’unione fa la forza
La comprensione teorica della superconduttività seguì di un cinquantennio la sua scoperta. Solo nel 1956 infatti Bardeen, Cooper e Schrieffer (premio Nobel nel 1972) elaborarono la teoria microscopica per la superconduttività, nota come teoria BCS dal nome dei suoi autori. L’idea di base è che mentre in un metallo normale gli elettroni si muovono indipendentemente l’uno dall’altro urtando gli atomi del reticolo cristallino, in un superconduttore gli elettroni si accoppiano e si muovono insieme coerentemente in fase. Ma perché gli elettroni dovrebbero accoppiarsi trattandosi di due cariche negative che, per la forza di Coulomb, si respingono l’un l’altra? Il trucco sta nel reticolo cristallino, che è un mezzo elastico e riesce a mediare un’interazione attrattiva fra i due elettroni. Visivamente possiamo immaginare che un elettrone di conduzione che passa attraverso il reticolo perturba alcuni ioni positivi rispetto alla loro posizione di equilibrio, attraendoli leggermente verso di sé e costringendoli ad avvicinarsi tra loro, creando così una regione a maggior densità di carica positiva. Mentre questi ioni oscillano avanti e indietro un secondo elettrone può subire attrazione verso la regione positiva; quindi la perturbazione locale di cariche nel reticolo produce un debole potenziale attrattivo a corto raggio in grado di catturare un secondo elettrone. L’effetto netto è che i due elettroni possono interagire tra loro usando la vibrazione reticolare come intermediario.
Il meccanismo di formazione delle coppie può essere assimilato a quello per cui due sfere di piombo, poste su un materasso, tendono a convergere nello stesso punto, sfruttando la deformazione del materasso sottostante. Una volta formate le coppie, gli elettroni non si comportano più come particelle ordinarie indipendenti, ma, insieme con le altre coppie, formano un nuovo stato quantistico in cui le coppie si muovono coerentemente fra loro. Quindi mentre in un metallo normale gli elettroni si comportano come onde distinte e urtano fra loro e contro il reticolo (come un gruppo di ragazzi in discoteca), in un superconduttore gli elettroni accoppiati formano un’unica onda e si muovono insieme coerentemente (come le coppie che danzano il valzer!). Di fatto non urtano contro gli ioni del reticolo perché è il reticolo stesso che, deformandosi a livello microscopico, crea spazio per il moto dei due elettroni legati: il cristallo presenta, quindi, resistenza nulla.
Figura 3 – La differenza del comportamento degli elettroni tra la fase
normale e quella superconduttiva di un metallo e simile a quella dei `
ballerini in una festa in discoteca o in un gran gala di valzer.
Freddo ma non troppo
Se da un lato la comprensione teorica generale dei superconduttori era così sostanzialmente risolta, dal punto di vista sperimentale la ricerca di materiali caratterizzati da una temperatura critica sempre più elevata continuò anche dopo gli anni ’60. Dal punto di vista industriale infatti il possibile abbattimento dei costi per gli apparati di raffreddamento necessari a mantenere i materiali superconduttori al di sotto della loro temperatura critica diede grande impulso alla ricerca di nuovi superconduttori con temperature critiche sempre maggiori. Tali ricerche non produssero risultati signicativi fino al 1986, quando Bednorz e Muller annunciarono la scoperta della superconduttività con una temperatura critica di oltre 30 K, in un materiale ceramico contenente lantanio, rame e ossigeno drogato con bario [1].
Dopo questa scoperta furono sintetizzati materiali simili con temperature critiche sempre maggiori. Questi materiali vengono oggi indicati con il nome di superconduttori cuprati. Per molti anni questi materiali hanno rappresentato l’unica famiglia appartenente alla classe dei cosidetti Superconduttori ad Alta Temperatura (SAT). Altre famiglie sono state scoperte successivamente, come quella dei fullereni e recentemente, nel febbraio 2008, quella di un nuovo tipo di materiali contenenti arsenico e per questo chiamati pnictidi [2].
La scoperta della superconduttività ad alta temperatura ha rappresentato una vera e propria rivoluzione nel campo delle possibili applicazioni dato che le temperature critiche elevate hanno reso possibile l’uso dell’azoto liquido (la cui temperatura di ebollizione è -196 °C) come mezzo refigerante al posto del ben più costoso elio liquido. Dal punto di vista concettuale la teoria BCS non riesce a spiegare il fenomeno della superconduttività ad alta temperatura. Il reticolo come mediatore dell’interazione fra gli elettroni non può infatti giustificare le alte temperature critiche osservate. Ma allora qual è la colla che riesce ad accoppiare gli elettroni e a tenerli insieme anche a temperature così elevate? A oggi non conosciamo ancora la risposta a questa domanda, che è solo una delle questioni aperte in questo campo. Infatti lo studio intensivo che ha seguito la scoperta di questi nuovi superconduttori ha portato alla luce pian piano tutto un insieme di anomalie e problematiche che questi sistemi presentano non solo nella fase superconduttiva, ma anche nella cosiddetta fase normale. La comprensione dei superconduttori ad alta temperatura rappresenta oggi una sfida che ci spinge ogni giorno a ripensare e rivedere molti dei paradigmi finora utilizzati (con successo) nella fisica dei materiali. Il punto dunque non è semplicemente quello di comprendere il meccanismo alla base della superconduttività in questi sistemi, ma piuttosto di capire come questi sistemi funzionino globalmente comprendendo le varie connessioni fra i tanti e diversi fenomeni osservati. La ricerca sui SAT procede così aggiungendo di giorno in giorno nuovi dettagli, permettendo una visione globale via via sempre più completa.
I primi 100 anni della superconduttività
A un secolo dalla sua scoperta il fenomeno della superconduttività, in particolare nell’ambito dei SAT, rimane a oggi uno degli ambiti di ricerca più stimolanti. La comprensione globale della superconduttività potrebbe infatti condurre alla ingegnerizzazione di superconduttori non solo con temperature critiche elevate ma anche adatti all’impiego su larga scala: materiali duttili, malleabili, facili da costruire ed economici! Una vera rivoluzione del nostro vivere quotidiano.
