La Superconduttività di Aligi Comignani & Alessandro Giordano

Superconduttori ad alta temperatura Un campo attivo di ricerca della fisica dello stato solido è lo studio dei superconduttori, cioè di quei materiali che, a temperature estremamente basse, ovvero di pochi gradi al di sopra dello zero assoluto, manifestano improvvise variazioni delle proprietà elettriche e magnetiche, associate alla scomparsa della resistenza elettrica. In assenza di resistenza, una corrente lanciata in un anello superconduttore circola indefinitamente, senza richiedere alimentazione e senza dissipazione di energia. In pratica sono stati realizzati anelli superconduttori capaci di sostenere correnti elettriche per mesi, senza un'apprezzabile diminuzione di intensità.   Superconduttori ad alta temperatura Per la maggior parte del XX secolo i fenomeni di superconduzione furono osservati solo alla temperatura dell'elio liquido (-268,9 °C). Il raggiungimento e il mantenimento di simili temperature ha costi rilevanti, tali da rendere svantaggioso dal punto di vista economico l'utilizzo di materiali superconduttori; negli anni Ottanta, la scoperta di una classe di materiali ceramici che diventano superconduttori a temperature notevolmente maggiori di quella di liquefazione dell'aria (di circa -200 °C) ha aperto nuove possibilità di applicazione della superconduttività, nella realizzazione di dispositivi elettronici ad alta velocità e di più efficienti linee di trasporto dell'energia elettrica.  

Come funziona? La superconduttività è dovuta a un accoppiamento di origine quantomeccanica fra gli elettroni di un reticolo cristallino, che avviene attraverso un’interazione degli elettroni con il reticolo stesso. Come mostrato nella figura B, un elettrone, nel suo moto casuale, deforma leggermente il reticolo, creando una zona di carica positiva netta: un secondo elettrone viene attratto da questa carica e inizia a muoversi sulla scia del primo, formando con esso un coppia di Cooper. I due elettroni accoppiati non debbono essere necessariamente vicini: fra di essi possono trovarsi centinaia di migliaia di altri elettroni, tutti appaiati in coppie di Cooper, con elettroni eventualemente distanti: la caratteristica della superconduttività è appunto che tutti gli elettroni del reticolo, in una simile condizione, si spostano con un moto coerente, senza subire urti fra loro e con gli ioni, e dunque senza perdite di energia. Questa situazione microscopica si traduce in un annullamento della resistenza del metallo alla conduzione di corrente elettrica, proprietà che caratterizza i materiali superconduttori.

Cenni storici… La superconduttività fu scoperta nel 1911 dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes. Nel 1933 i fisici Karl W. Meissner e R. Ochsenfeld riscontrarono un forte diamagnetismo in un superconduttore. La spiegazione teorica della superconduttività si ebbe nel 1957, quando i fisici statunitensi John Bardeen, Leon N. Cooper e John R. Schrieffer specificarono la natura quantistica del fenomeno. La transizione allo stato superconduttivo è da ricondurre alla formazione di coppie di elettroni (coppie di Cooper) che, in qualità di bosoni, si muovono liberamente nel volume del conduttore. Nel 1962 il fisico britannico Brian Josephson, sulla base dell'interpretazione quantistica della superconduttività, ipotizzò l'esistenza di oscillazioni della corrente elettrica che scorre tra due superconduttori, separati da un sottile strato isolante, e posti in un campo magnetico o elettrico. L'effetto, noto come effetto Josephson, fu successivamente confermato sperimentalmente. Karl Alexander Müller Il fisico svizzero Karl Alexander Müller vinse il premio Nobel nel 1987 per gli studi compiuti sul fenomeno della superconduttività a 30K

Applicazioni nel LHC Cavità superconduttrice Una delle cavità a radiofrequenza in materiale superconduttore realizzate per l'acceleratore di particelle LHC del Cern di Ginevra. Il funzionamento di una cavità a radiofrequenza si basa sull'intenso campo elettromagnetico che si stabilisce al suo interno per accelerare le particelle. La cavità qui mostrata è realizzata in rame, ricoperta di un sottile strato di niobio, materiale che diventa superconduttore a basse temperature: la bassa resistività del materiale permette, a parità di potenza fornita alla cavità, di raggiungere valori di campo elettrico molto più alti di quelli ottenibili con cavità tradizionali, e dunque di fornire più energia alle particelle, con il medesimo costo di funzionamento dell'acceleratore in termini di energia elettrica.

Magnete superconduttore per l'acceleratore LHC Per ottenere intensi campi magnetici, la tecnologia va nella direzione di utlizzare materiali superconduttori. Il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra sarà interamente costruito con magneti superconduttori: nella foto, la prima metà di un prototipo. Le dimensioni del magnete vero e proprio sono di poche decine di centimetri: intorno, una complessa struttura di raffreddamento criogenico, essenziale al funzionametno di un elemento superconduttore, oltre agli usuali sistemi di alimentazione, controllo, allineamento e protezione dalle radiazioni.  

Esperimento CMS Disegno schematico dell’esperimento CMS (acronimo di Compact Muon Solenoid) che verrà installato in una delle aree sperimentali di LHC. Il pezzo cruciale di questo apparato è il solenoide superconduttore, che genera al suo interno un campo magnetico di 4 Tesla: questo intenso campo permette di ottenere un esperimento di dimensioni contenute, pur garantendo un’ottima risoluzione sulle misure di energia, momento e posizione delle particelle. All’interno del solenoide, oltre al rivelatore di tracce al silicio, si colloca l’altro rivelatore molto particolare di CMS, il calorimetro elettromagnetico costituito da cristalli di tungstenato di piombo.  

Esperimento ALICE ALICE (acronimo di A Large Ion Collider Experiment) è un esperimento che sfrutterà il modo di funzionamento di LHC (accelerazione attraverso magneti superconduttori) con fasci di ioni pesanti. Negli scontri fra nuclei di Pb accelerati ad altissima energia si dovrebbe formare uno stato di materia finora mai osservato, chiamato Quark Gluon Plasma (QGP), fatto di particelle fortemente addensate, simile alla condizione in cui venne a trovarsi la materia pochi istanti dopo il Big Bang. Lo studio del QGP sarà una chiave importante per comprendere i meccanismi che regolano le forze fra quark e gluoni e che hanno determinato l’evoluzione dell’universo fino all’aspetto a noi oggi noto.

Esperimento LHC-B L’esperimento LHC-B (Large Hadron Collider - Beauty Experiment) sarà integrato all’acceleratore LHC per indagare le violazioni della simmetria di carica e parità (CP) e i decadimenti rari di particelle. La violazione di CP è un meccanismo cruciale per spiegare il prevalere della materia sull’antimateria nell’universo primordiale, ma le teorie di fisica non riescono ancora a comprenderne le cause. Ciò si propone di fare l’esperimento LHC-B, i cui costituenti essenziali sono un rivelatore di vertice al silicio, per catturare le tracce delle particelle cariche, e il rivelatore RICH (Ring-Imaging Cherenkov), basato sull’effetto Cherenkov, per distinguere fra i diversi tipi di particelle.

Il “nostro” contributo… Altre foto Magnete Ansaldo per LHC Test di misure magnetiche su di un magnete superconduttore realizzato da Ansaldo per l'acceleratore LHC, in costruzione al CERN (Laboratorio europeo per la fisica delle particelle). All'azienda italiana Ansaldo, che da circa una decina d'anni svolge attività di ricerca in collaborazione con il CERN sui magneti superconduttori per LHC, è stato affidato l'incarico di realizzare tutti i magneti dipolari, ciascuno lungo 15 m. Nella foto, il magnete è visibile nel tubo che lo racchiude per mantenere il materiale superconduttore a temperatura criogenica. Una volta raggiunto il laboratorio, ciascun magnete verrà nuovamente controllato e misurato, per garantire che siano state soddisfatte le specifiche richieste; i magneti dovrebbero generare un campo di circa 10 Tesla.  

Recenti applicazioni 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. Un esempio di questa applicazione è stata realizzata recentemente dalla Pirelli. Questa nota società italiana ha iniziato nel luglio 2001 l'installazione dei primi cavi elettrici a superconduttore in una stazione della metropolitana di Detroit negli USA. I tre cavi, lunghi oltre 100 m, rimpiazziano ben nove cavi normali di rame e, una volta alimentati, porteranno 100 MW a 14000 utenti di Detroit. I cavi hanno una Tc di 93K, sono avvolti su un tubo che trasporta azoto liquido a 77 K che ne assicura il raffreddamento, e sono isolati termicamente ed elettricamente dall'esterno con un opportuno rivestimento.

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. In Giappone nel 1997 venne conclusa la realizzazione di un treno a levitazione magnetica che nel 1999 raggiunse una velocità superiore ai 500 Km/h. In un tunnel a bassa pressione, tuttavia, un treno a levitazione magnetica potrebbe senza problemi, e silenziosamente, raggiungere velocità di oltre 3000 Km/h e trasportare un passeggero da New York a Los Angeles in un'ora e un quarto, consumando meno di 4 litri di gasolio.