Chimica e materiali - materiali superconduttori

Superconduttività e temperature critiche

La superconduttività è un fenomeno che si verifica in alcuni materiali quando vengono raffreddati ad una temperatura al di sotto di una specifica temperatura critica. A questa temperatura, la coppia di Cooper rimane stabile e il materiale si trova nello stato superconduttore. Al di sopra di tale temperatura, il superconduttore riceve un'energia termica sufficiente a far sì che le vibrazioni del reticolo diventino così grandi da rompere le coppie e far passare il materiale allo stato di conduzione normale. I composti e i metalli superconduttori hanno temperature caratteristiche proprie di transizione tra i due stati (normale e superconduttore), al di sotto delle quali la resistività è nulla e al di sopra delle quali valgono le normali leggi.

Di seguito sono riportate delle tabelle con le temperature critiche di alcuni composti e di alcuni metalli superconduttori. La densità di corrente critica (JC), invece, indica la massima quantità di corrente trasportabile da un superconduttore. Quando un materiale superconduttore trasporta corrente, non ci sono perdite di energia elettrica e si può pensare di poter trasportare.

quantità enormi di corrente. In realtà, un valore di corrente al di sopra di quello critico fa passare il superconduttore ad uno stato normale anche se al di sotto della temperatura critica. La densità di corrente critica JC è il valore massimo del campo magnetico sostenibile. Infine, il campo magnetico critico HC è il valore massimo del campo magnetico che può essere sostenuto da un superconduttore. Questi ultimi due parametri sono legati all'effetto Meissner-Ochsenfeld, che riguarda il comportamento diamagnetico dei superconduttori una volta che sono portati al di sotto della temperatura critica di transizione. Nei metalli, per esempio, in presenza di un campo magnetico esterno variabile nel tempo si generano, per la legge di Lenz, delle correnti parassite che generano a loro volta un campo magnetico che si oppone alle variazioni di quello esterno. In un superconduttore, grazie alla totale assenza di resistenza, la forza repulsiva è presente anche quando ilcampo magnetico supera una certa intensità critica, il superconduttore passa allo stato normale e perde la sua capacità di espellere il campo magnetico. I superconduttori di tipo II, invece, possono sopportare campi magnetici più intensi senza perdere la loro superconduttività. Questi materiali sono utilizzati in applicazioni che richiedono campi magnetici più forti, come ad esempio i magneti per le risonanze magnetiche nucleari. In conclusione, la superconduttività e l'effetto di espulsione del campo magnetico sono fenomeni molto importanti e utilizzati in diverse applicazioni tecnologiche. La ricerca continua nel campo della superconduttività ha portato a nuovi materiali e nuove scoperte, aprendo la strada a ulteriori sviluppi e applicazioni future.

Campo raggiunge l'intensità critica, che dipende dal materiale, esso entra nel materiale distruggendo lo stato di superconduzione. I superconduttori di tipo II sono molto più utili: 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.

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'interomateriale, 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 manometri. I superconduttori di tipo I sono bassofondenti e fisicamente teneri. In questi materiali la lunghezza di coerenza è maggiore della profondità di penetrazione e 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.

Il testo ha lo storico valore di 4.2 K. A questa categoria appartengono la maggior parte dei metalli che hanno temperature di transizione decisamente basse, pari a pochi Kelvin. Di seguito è riportata la tavola periodica in cui sono evidenziati i materiali con caratteristiche superconduttive, compresi il Vanadio, il Tecnezio e il Niobio che appartengono al tipo II.

Alcuni elementi, evidenziati in verde, possono entrare nello stato superconduttore se sottoposti a pressioni elevate: un esempio è il fosforo che è in grado di diventare superconduttore al di sotto di una temperatura compresa tra i 14 e i 22 K ma solo se sottoposto a pressioni dell'ordine di 250 Mbar. Non sono invece superconduttori materiali come il rame, l'oro e l'argento che sono invece ottimi conduttori. 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 applicativo.

vista tecnologico. I superconduttori di tipo II sono invece 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 Aleksej 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 dall'intensità del campo applicato e dalla temperatura. Tale reazione può essere rappresentata da un diagramma di fase magnetico, chemostra che un superconduttore convenzionale ha tre stati magnetici distinti. Il primo è lo stato di Meissner, cioè lo stato in cui il materiale espelle totalmente il flusso magnetico applicato. Questo stato esiste fino a che non si supera un certo campo, detto campo critico inferiore. Il secondo stato si presenta se il campo applicato viene portato a un livello più alto del campo critico inferiore. A questo punto il campo magnetico può ancora penetrare nel superconduttore, ma non completamente o uniformemente. La penetrazione nel materiale avviene per mezzo di tubi di flusso discreti che formano intrusioni tubolari del campione applicato. La meccanica quantistica dei superconduttori richiede che ogni tubo di flusso porti la stessa quantità di flusso magnetico (quanto di flusso). Il terzo stato si raggiunge se il campo magnetico arriva a un secondo e più alto campo critico. Al di sopra di questo valore lo stato superconduttivo vieneaspetto: la temperatura critica. La temperatura critica è la temperatura al di sotto della quale un materiale diventa superconduttore. Per i superconduttori di tipo I, la temperatura critica è molto bassa, generalmente inferiore ai 10 Kelvin. Al contrario, per i superconduttori di tipo II, la temperatura critica può essere molto più alta, raggiungendo anche i 100 Kelvin. Oltre alla temperatura critica, un'altra caratteristica importante dei superconduttori è la densità di corrente critica. Questa è la massima densità di corrente che un superconduttore può sopportare senza perdere la sua capacità superconduttiva. La densità di corrente critica dipende dalla temperatura e dal campo magnetico applicato. I superconduttori hanno molte applicazioni pratiche, soprattutto nel campo della tecnologia dei magneti. Ad esempio, vengono utilizzati per la produzione di magneti ad alta intensità per la risonanza magnetica nucleare (RMN) e per i magneti utilizzati negli acceleratori di particelle. Inoltre, i superconduttori sono utilizzati anche nella produzione di cavi ad alta tensione e nella realizzazione di dispositivi elettronici ad alte prestazioni. In conclusione, i superconduttori sono materiali con proprietà straordinarie che permettono il passaggio di corrente senza resistenza. Sono divisi in due tipi principali, i superconduttori di tipo I e i superconduttori di tipo II, che differiscono per le loro caratteristiche magnetiche. I superconduttori di tipo II sono preferiti nelle applicazioni pratiche grazie alla loro capacità di sopportare campi magnetici più intensi e di condurre maggiori correnti.effetto detto effetto Josephson. Nel 1962, Brian D. Josephson, ricercatore all'Università di Cambridge, studiò due superconduttori separati da uno strato di materiale isolante che agisce da barriera al flusso di corrente. Se la stessa cosa viene fatta con dei materiali conduttori si nota che applicando una differenza di potenziale ai capi della giunzione si ha una corrente che riesce a fluire attraverso la giunzione, proporzionale alla tensione applicata. Tale fenomeno è noto come effetto tunnel. Josephson giunse alla conclusione che nel caso lo spessore della barriera non sia troppo grande le coppie di Cooper possono passare per effetto tunnel attraverso la barriera senza dividersi, e quindi la giunzione funziona come un debole superconduttore. C'è da fare una distinzione tra effetto Josephson ac e dc. L'effetto Josephson dc prevede il passaggio di una corrente continua attraverso la giunzione anche in presenza di

campi elettrici o magnetici esterni, a patto che la giunzione abbia spessore inferiore a 10 Å.

Il grafico riportato qui sopra mostra l'andamento tensione-corrente all'interno della giunzione: in particolare si può notare la differenza tra il comportamento della supercorrente e quello della corrente di conduzione. La supercorrente può assumere qualsiasi valore tra I 0 quando la tensione applicata è nulla. L'effetto Josephson invece prevede che se si applica una tensione continua tra i due superconduttori viene generata una corrente con oscillazioni a radiofrequenza e se viceversa si applica una tensione a radiofrequenza, si ha l'induzione di una corrente continua.

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, che prende il nome di effetto Josephson, fu verificato

alcuni mesi più tardi da Philip W. Anderson e John M. Rowell dei Bell Telephon