Le Meraviglie della Superconduttività fffff Le Meraviglie della Superconduttività Paolo Tripodi 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

LA STRUTTURA DELLA MATERIA SOLIDO LIQUIDO DENSITA GASSOSO PLASMA VUOTO STATO 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

LA STRUTTURA DELLA MATERIA ISOLANTE DIELETTRICO SEMICONDUTTORE RESISTENZA CONDUTTORE SUPERCONDUTTORE SOLIDO,LIQUIDO,GASSOSO STATO 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

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SCOPERTA DELLA SUPERCONDUTTIVITA’ Nel 1908 gli studi sulle bassissime temperature condotte dal fisico olandese lo portarono a liquefare l'elio (He), ultimo tra i gas inerti ad essere condensato arrivando a 4 K. Solo pochi millilitri di He furono liquefatti ma si aprì la strada all'esplorazione di regioni di temperatura mai raggiunte. Il fisico olandese cominciò ad investigare le proprietà elettriche dei metalli a temperature molto basse e nel 1911 la superconduttività fu scoperta per la prima volta. Heike Kamerlingh Onnes 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

Le ipotesi volte a spiegare il fenomeno erano due: Elettroni congelati Valore minimo della resistenza Onnes fece passare una corrente attraverso un filo di mercurio purissimo misurando la resistenza al diminuire della temperatura. Non si osservò né il livellamento in basso della resistenza né tanto meno il congelamento degli elettroni. A 4.2 K la resistenza scomparve totalmente. Onnes: il mercurio è passato in un nuovo stato che in base alle straordinarie proprietà elettriche può essere indicato come stato superconduttivo. In uno dei suoi esperimenti Onnes fece passare corrente elettrica in una spira di mercurio raffreddata 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. Nel 1913 vinse il premio Nobel per la Fisica. 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

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Nei metalli, gli atomi mettono in comune alcuni elettroni del guscio più esterno, comportandosi come ioni positivi. Gli elettroni, quando sono soggetti ad una differenza di potenziale, possono muoversi all'interno della struttura cristallina del metallo generando una corrente elettrica. La resistenza offerta da un metallo al passaggio della corrente elettrica corrisponde, a livello microscopico, ad una serie continua di urti tra elettroni, praticamente liberi, ed ioni del reticolo, che oscillano attorno alle posizioni reticolari (kT) con una frequenza tanto maggiore quanto più alta è la temperatura. Se iniziamo a raffreddare un metallo, di fatto riduciamo l'agitazione termica degli ioni attorno alle loro posizioni di equilibrio, e questo comporta una diminuzione della resistenza offerta al passaggio degli elettroni. Tuttavia la resistenza non dovrebbe mai diventare nulla, perché gli elettroni urterebbero contro gli ioni anche se questi fossero immobili. 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

UNA NUOVA SCOPERTA Ma anche un'altra caratteristica dello stato superconduttivo sbalordì gli studiosi del tempo. Nel 1933 il fisico tedesco scoprì che i superconduttori, oltre ad essere perfetti conduttori di elettricità, sono anche dei perfetti materiali diamagnetici, capaci cioè di espellere il flusso magnetico che è intrappolato nel materiale quando vengono raffreddati al di sotto della propria temperatura di transizione. Karl Walter Meissner 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

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Un campo magnetico è, in sostanza, una deformazione dello spazio dal punto di vista elettrostatico. Un campo magnetico è la naturale manifestazione di una particolare classe di materiali chiamati ferromagnetici. Esso può essere anche generato da una corrente elettrica che fluisce all'interno di un conduttore. In tal caso viene più propriamente detto campo elettromagnetico. Un qualunque conduttore che immerso in un campo magnetico esterno non induce cambiamenti nel campo magnetico stesso e si oppone alla crescita del campo al suo interno, è detto diamagnetico. Quando poniamo un superconduttore raffreddato sotto Tc entro un campo magnetico, esso si comporta proprio da diamagnetico. Infatti, in un sottile strato interno, ma prossimo alla superficie, si generano "supercorrenti" che schermano il campo magnetico e gli impediscono di penetrare. 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

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 regione di temperature critiche e campi magnetici critici all'interno della quale superconducono. 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

LE SPIEGAZIONI TEORICHE I modelli quantistici sviluppati negli anni ‘30 spiegavano la conduttività nei metalli normali ma non la superconduttività. Nel 1957 tre fisici americani svilupparono un modello per la comprensione dei fenomeni fisici microscopici nello stato superconduttivo. Il modello quantistico prevede che in un superconduttore gli elettroni condensino in uno stato quantistico di energia minima e viaggino collettivamente e coerentemente. John Bardeen Leon Cooper John Schrieffer Secondo questo modello gli elettroni di conduzione si propagano senza incontrare resistenza perché si muovono in coppie, le cosiddette coppie di Cooper. Nel 1972 vinsero il premio Nobel per la Fisica (teoria BCS). 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

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Quando un elettrone passa nelle vicinanze di ioni positivi, questi ultimi vengono attratti e si spostano leggermente dalle loro posizioni di equilibrio andando verso di esso. Non appena l'elettrone è passato oltre, gli ioni tornano indietro, velocemente ed elasticamente, verso le proprie posizioni originarie. In alcuni materiali, quando raffreddati al di sotto della loro Temperatura critica, gli ioni positivi non tornano immediatamente nelle loro posizioni originarie dopo il passaggio di un elettrone. Secondo la teoria BCS, questo fa sì che localmente si abbia un addensamento di carica ionica positiva che è in grado di attrarre un secondo elettrone posto nelle immediate vicinanze. Una volta catturato, questo elettrone seguirà la deformazione reticolare indotta dal primo, e i due elettroni si comporteranno di fatto come una coppia legata con spin totale nullo (coppia di Cooper) in moto nel cristallo, ignorando la reciproca repulsione coulombiana. 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

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. Le coppie di Cooper sono molto instabili e si formano e disfano continuamente all'interno del cristallo. 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. 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

LE MERAVIGLIE NON FINISCONO Nel 1962, Il neo ricercatore di Cambridge, studiò due superconduttori separati da un sottile strato di materiale isolante che agisce da barriera al flusso di corrente. Scoprì che queste possono passare per effetto tunnel attraverso la barriera senza dividersi. La corrente critica, vale a dire la supercorrente massima che può attraversare la giunzione, dipende dalla dimensione della giunzione, dal tipo di materiale superconduttore e dalla temperatura. Questo fenomeno (effetto Josephson) fu verificato alcuni mesi più tardi da Philip W. Anderson e John M. Rowell dei Bell Telephone Laboratories. Nel 1973 Josephson ricevette il premio Nobel per la Fisica per poi scomparire. Brian D. Josephson 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

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ANCORA MERAVIGLIE Nel 1986 due ricercatori dei laboratori IBM di Zurigo studiando una particolare classe di ceramiche a base di ossido di rame (perovskiti), con centinaia di differenti composti ossidi e con ceramiche di lantanio, bario, rame e ossigeno essi trovarono evidenze di superconduttività a 35K. Subito la comunità scientifica cominciò a lavorare con i nuovi materiali che si candidavano ad essere una nuova classe di superconduttori. Nel febbraio del 1987 fu individuata una ceramica perovskite in grado di supercondurre a 90 K. Questa scoperta fu molto importante in quanto da quel momento divenne possibile usare come mezzo refrigerante l'azoto liquido (punto di ebollizione: 77K). J. G. Bednorz K. A. Müller superconduttori ad alta temperatura critica (HTSC). Nobel per la Fisica nel 1987 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

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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 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. 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

Le classi di superconduttori di tipo I e 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 qualche decina fino a qualche migliaio di nanometri. 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

TIPO I 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. Dato che nel caso dei superconduttori di tipo I la superconduzione scompare in presenza di campi abbastanza modesti, questi materiali presentano uno scarso interesse dal punto di vista tecnologico. 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

TIPO II I superconduttori di tipo II sono tecnologicamente molto più utili. La profondità di penetrazione in questi materiali è maggiore della lunghezza di coerenza e pertanto 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. Tutti i superconduttori di interesse tecnologico sono di questo tipo. Negli anni '50 A. Abrikosov pubblicò la teoria di base sul comportamento di un superconduttore convenzionale di tipo II in presenza di campo magnetico. Partendo dal lavoro di Ginzburg e Landau, Abrikosov riuscì a dimostrare che il comportamento magnetico di un superconduttore di tipo II al di sotto della temperatura critica dipende dalla intensità del campo magnetico applicato e dalla temperatura. 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

Tc 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

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UNA PICCOLA DIMOSTRAZIONE 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

92K 105K 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

APPLICAZIONI Nonostante non siano ancora stati trovati materiali superconduttori a temperatura ambiente, molte applicazioni sono già state realizzate con i superconduttori noti, sia per testarne le potenzialità, che per gli indubbi vantaggi che si ottengono nel loro impiego. 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

BIOMAGNETISMO Il biomagnetismo è certamente un'altra area di interesse applicativo per i superconduttori. La medicina richiede sempre più tecniche non invasive per determinare lo stato di salute degli organi nel corpo umano. MRI 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

TRASPORTO DI ENERGIA La prima applicazione che viene in mente è sicuramente quella della trasmissione di energia senza perdite. Grazie alla superconduttività, infatti, è possibile trasportare una enorme quantità di energia con dimensioni del mezzo trasportatore relativamente piccole. 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

TRASPORTO DI “MATERIA” La levitazione magnetica è una delle grandi possibilità offerte dai superconduttori: i treni, ad esempio, possono essere fatti levitare su potenti magneti a superconduttore, riducendo così i problemi di attrito e raggiungendo velocità elevate con bassissimo dispendio di energia. 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

500 Km/h 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi

fffff Fonti elettroniche http://www.chimica.unige.it/ferretti/superconduttivit/sitosup/ http://www.cib.na.cnr.it/sucry/sucry3/sds/sommario.html http://www.lescienze.it/ http://www.owlnet.rice.edu/~hkic/superconductors/ http://www.physics.carleton.ca/courses/75.364/mp-2html/mp-2html.html http://www.physics.uq.edu.au/people/brake/ http://www.physnet.uni-hamburg.de/home/vms/reimer/htc/contents.html http://www.superconductors.org/ 25 febbraio 2006 Liceo Edoardo Amaldi