Superconduttori: la resistenza è inutile

Ogni cavo standard, ogni cavo, ogni dispositivo elettronico ha una certa resistenza elettrica. Esistono, tuttavia, materiali superconduttori con la capacità di condurre corrente elettrica con una resistenza esattamente uguale a zero, almeno a temperature molto basse. Trovare un materiale che si comporta come un superconduttore a temperatura ambiente sarebbe una scoperta scientifica di incredibile importanza concettuale e tecnologica. Una tale scoperta porterebbe ad una vasta gamma di nuove applicazioni, dai treni a levitazione fino a nuove tecnologie di imaging per la medicina.
La ricerca dei superconduttori ad alta temperatura è estremamente difficile, poiché molti degli effetti quantistici relativi alla superconduttività non sono ancora ben compresi. Il professor Neven Barišic, professore di fisica dello stato solido presso la TU Wien (Vienna) sta conducendo esperimenti con i cuprati, una classe di materiali che si comportano come un superconduttore a temperature record fino a 140K a pressione ambiente. Barišic e colleghi hanno ora messo a punto una serie notevole di risultati e nuove intuizioni che potrebbero cambiare profondamente il modo in cui pensiamo a questi materiali complessi e alla superconduttività ad alta temperatura in generale.
“Il fenomeno della superconduttività ad alta temperatura è stato studiato a fondo per decenni, ma nessuno ha ancora risolto il problema“, afferma Neven Barišic. “Parecchi materiali mostrano comportamenti superconduttori a temperature vicine allo zero assoluto e comprendiamo perché questo accade in alcuni di essi, ma la vera sfida è comprendere la superconduttività nei cuprates, dove questo stato persiste a temperature molto più elevate. Un superconduttore a temperatura ambiente sarebbe il Santo Graal della fisica dello stato solido e ci stiamo avvicinando sempre di più.”
Barišic ed il suo gruppo hanno dimostrato che ci sono due tipi fondamentalmente diversi di portatori di carica nei cuprati, e hanno suggerito che la superconduttività dipende in modo cruciale dalla sottile interazione tra loro.
Parte della carica elettrica è localizzata, ciascuno di questi portatori di carica si trova in una particolare serie di atomi e può spostarsi solo se il materiale viene riscaldato. Altri portatori di carica possono muoversi, saltando da un atomo all’altro. È la carica mobile che alla fine diventa superconduttiva, ma la superconduttività può essere spiegata solo prendendo in considerazione anche i portatori di carica immobili.
“Esiste un’interazione tra i portatori di carica mobili e quelli immobili, che governa le proprietà del sistema“, afferma Barišic. “Apparentemente, le cariche immobili fungono da collante, coppie leganti di portatori di carica mobili insieme, creando le cosiddette coppie di Cooper, che sono l’idea di base dei superconduttori classici. Una volta accoppiati, i portatori di carica possono diventare superconduttori e il materiale può trasportare l’attuale carica con resistenza zero. ”
Ciò significa che per ottenere la superconduttività deve esserci un sottile equilibrio tra i portatori di carica mobili e immobili. Se ci sono troppo pochi operatori localizzati, non c’è abbastanza “colla” per poter ottenere l’accoppiamento con gli operatori mobili. Se, d’altra parte, i portatori mobili sono troppo pochi, allora non c’è nulla per la “colla” da accoppiare. In entrambi i casi, la superconduttività è indebolita o si ferma del tutto. In condizioni ottimali, la superconduttività persiste a temperature estremamente elevate. È stato difficile capire che l’equilibrio tra le cariche mobili e quelle immobili cambia, in funzione della temperatura o altri fattori, in maniera graduale.
“Abbiamo eseguito diversi esperimenti con i cuprati, raccogliendo grandi quantità di dati e ora possiamo proporre un quadro fenomenologico completo per la superconduttività nei cuprati“, spiega Neven Barisic. Di recente ha pubblicato le sue scoperte in diverse riviste – la più recente in Science Advances – che dimostrano che anche la superconduttività appare in maniera graduale. Questo è un passo importante verso l’obiettivo di comprendere i cuprati e fornire un modo per cercare nuovi superconduttori, anche migliori.
Se fosse possibile creare materiali che restino superconduttori anche a temperatura ambiente, ciò avrebbe conseguenze di vasta portata per la tecnologia. Potrebbero essere costruiti dispositivi elettronici che consumano pochissima energia e con pochissima dispersione di calore. I treni levitanti potrebbero essere costruiti utilizzando magneti superconduttori estremamente resistenti, in modo da rendere possibile il trasporto economico e ultraveloce. “Non siamo ancora vicini a questo obiettivo“, conclude Barisic. “Ma la profonda comprensione della superconduttività ad alta temperatura potrà aprirci la strada per arrivarci e, credo, abbiamo ora compiuto diversi importanti passi in questa direzione“.
Fonte: Science Advances