L'intento dell'articolo è quello di introdurre il principio di funzionamento fisico dei superconduttori ad alta temperatura critica (HTcS), passando per uno degli esempi più noti di utilizzo: il Maglev. Si tratta di un treno ad alta velocità in grado di viaggiare sospeso su un cuscino d’aria al di sopra di una rotaia guida, senza alcun contatto fisico, con notevoli vantaggi rispetto ai normali treni che viaggiano su rotaia. Partiremo dal contesto storico, soffermandoci sugli studi che hanno consentito di giungere alle conoscenze odierne. Capiremo, poi, cosa sono i superconduttori, cosa li differenzia rispetto ai "normali" conduttori (quali rame, oro, e così via), indagando sulla materia a livello microscopico. Ci addentreremo in quelle che sono le caratteristiche dei superconduttori, estrapolando le differenze tra superconduttori di tipo I e II. Inoltre, ampio sguardo sarà dato anche alle leggi che governano lo stato superconduttivo, senza entrare in elevati tecnicismi, rimandando al lettore eventuali approfondimenti.
Contesto Storico
Per comprendere dove si collocano i superconduttori ad alta temperatura critica, conosciuti con l'acronimo HTcS (High Critical Temperature Superconductors), è necessario introdurre, brevemente, la lunga serie di scoperte che hanno portato alla loro nascita e diffusione a livello industriale.
Il fenomeno dei superconduttori fu osservato per la prima volta dal fisico Olandese Onnes. In particolare, il fisico notò, studiando le proprietà elettriche dei metalli a temperature molto basse, che un filo di mercurio alla temperatura di 4.2°K (-269.95°C) attraversato da una corrente elettrica mostrava una resistenza nulla; il mercurio si presentava in uno stato poi denominato "stato superconduttivo" (Figura 1).
Figura 1: Andamento della resistenza elettrica del mercurio in funzione della temperatura.
Nel 1933 i fisici tedeschi Meissner e Ochsenfeld, seguendo quanto osservato da Onnes, scoprirono il comportamento fortemente diamagnetico del superconduttore (“Effetto Meissner-Ochsenfeld”), cioè l'impossibilità dei campi magnetici di penetrarli sviluppando sulla propria superficie delle correnti di schermo. Da qui, nel 1950 due fisici russi Ginzburg e Landau proposero una teoria fenomenologica della superconduttività, la quale però non riusciva a spiegare il fenomeno a livello microscopico. Soltanto nel 1957 tre fisici americani dell'università dell'Illinois riuscirono a sviluppare quella che oggi è nota come Teoria BCS, in grado di spiegare il comportamento dei superconduttori per basse temperature critiche.
Sempre più vicini a giorni nostri, nel 1986 Bednorz e Müller, presso i laboratori IBM di Zurigo, a seguito di lunghi studi su una classe di ceramiche a base di ossido di rame, note come perovskiti, scoprirono una nuova classe di superconduttori, gli HTcS appunto, in grado di transire dallo stato normale a quello superconduttivo a temperature superiori a 90°K.
Abbiamo citato pochi avvenimenti, che rimandano ad ulteriori approfondimenti, per inquadrare quali sono state le scoperte che hanno consentito la diffusione dei superconduttori in ambito industriale. Sarà più chiaro, nel corso dei successivi paragrafi, i vantaggi derivanti dal loro utilizzo.
Le Caratteristiche dei Superconduttori
Per comprendere al meglio quelle che sono le caratteristiche dei superconduttori è necessario, dapprima, capire cosa succede ai "normali" conduttori, come i metalli. I metalli pongono una resistenza elettrica funzione delle interazioni degli elettroni di conduzione con gli ioni del reticolo cristallino, che vibrano intorno alla loro posizione di equilibrio. All’aumentare della temperatura cresce l’agitazione termica degli ioni, provocando così un aumento della resistenza del materiale al passaggio della corrente; viceversa al decrescere della temperatura si ha una diminuzione dell’agitazione termica degli ioni, conseguentemente una diminuzione della resistenza molto minore di quello usuale (<10-23 Ω⋅m). Tuttavia, la resistenza non si annulla mai in quanto gli urti tra elettroni e ioni sono inevitabili a causa degli intrinsechi difetti che caratterizzano il materiale. Questi concetti sono alla base del funzionamento di una resistenza, utilizzata negli ambiti più disparati dell'elettronica.
Alcuni cristalli, a prescindere dalla stato di purezza del reticolo, presentano però caratteristiche molto diverse: quando vengono raffreddati la loro resistenza decresce fino ad un valore di temperatura detto temperatura critica (Tc) o di transizione precipitando di colpo a valori non misurabili. Questi materiali, conosciuti sotto il nome di superconduttori, mostrano una repentina diminuzione della resistività e forti proprietà diamagnetiche.
Da un punto di vista microscopico il tutto può essere spiegato grazie alle coppie di Cooper (una coppia di elettroni a cui è associata una configurazione energetica favorevole ad una distanza ξ detta distanza di coerenza), queste non consentono al reticolo atomico del materiale di diffondere gli elettroni che si sono accoppiati, quindi questi non dissipano ponendo resistenza. Dunque, la superconduttività è una proprietà globale del materiale.
Tenendo in considerazione le proprietà di alcuni ottimi conduttori come l’oro, l’argento ed il rame ci si aspetterebbe che quest’ultimi siano i primi a diventare superconduttori, ma così non è. La spiegazione di tale comportamento può essere data solo attraverso un’analisi microscopica. I metalli sono caratterizzati da un reticolo cubico a facce centrate, cioè gli ioni sono disposti ai vertici e i cubi ideali affiancati costituiscono il cristallo. Tale struttura è molto rigida viene deformata pochissimo dal moto degli elettroni e, in questo caso, la repulsione coulombiana tra elettroni prevale sull’attrazione indotta dalla deformazione del reticolo e le coppie di Cooper non si formano.
Parametri critici
La sola presenza di resistività nulla non basta a classificare un materiale come superconduttore poiché qualsiasi conduttore tende, a temperature prossime allo zero assoluto, ad un valore di resistività prossimo a zero. La caratteristica principale [...]
ATTENZIONE: quello che hai appena letto è solo un estratto, l'Articolo Tecnico completo è composto da ben 3009 parole ed è riservato agli ABBONATI. Con l'Abbonamento avrai anche accesso a tutti gli altri Articoli Tecnici che potrai leggere in formato PDF per un anno. ABBONATI ORA, è semplice e sicuro.
Non conoscevo il Maglev prima di leggere questo articolo. Mi sembra un’efficace ed utile applicazione dei superconduttori!