superconduttori

Il fenomeno della superconduttività fu scoperto da Kamerlingh Onnes, che osservò uno strano comportamento di un filo di mercurio a -268.96 °C (4.2 K). Proprio lo studio del comportamento della materia a basse temperature gli valse il Nobel nel 1913. Ma cosa sono questi superconduttori di cui si sente tanto parlare? Cosa si intende per resistenza elettrica nulla e cos'è levitazione magnetica? Scopriamolo assieme!

Cosa sono i superconduttori?

I superconduttori sono elementi o sostanze che presentano il fenomeno della superconduttività al di sotto di una certa temperatura, chiamata temperatura critica. In fisica la superconduttività è uno stato della materia in cui alcuni materiali (tipicamente isolanti a temperatura ambiente) diventano non solo conduttori ma presentano una resistenza elettrica nulla, ovvero non ostacolano in alcun modo il passaggio di cariche elettriche. Insomma, la corrente passa senza dissipare calore! Questa dissipazione è un effetto tipicamente presente nei conduttori normali, noto come effetto Joule: i superconduttori sono quindi dei conduttori perfetti.
La temperatura critica per passare allo stato di superconduttore è tipicamente molto bassa rispetto alla temperatura ambiente e in alcuni casi può raggiungere valori prossimi allo zero assoluto (-273.15 °C), come nel caso del mercurio. Di conseguenza, raffreddare questi materiali per portarli allo stato superconduttivo è energeticamente ed economicamente molto dispendioso.

I superconduttori poi godono di una seconda "super" proprietà, chiamata effetto Meissner o levitazione magnetica. Riescono a fluttuare in aria, se sospesi al di sopra di un magnete che genera un campo magnetico esterno. I superconduttori riescono ad espellere il campo magnetico generato dal magnete di riferimento, generando delle correnti sulla superficie: il campo magnetico al loro interno è dunque nullo.

levitazione superconduttori

Quali tipi esistono?

I superconduttori si possono distinguere in due categorie. I superconduttori di tipo I sono descritti dalla teoria BCS: una volta raffreddato tale superconduttore permette la formazione di coppie di elettroni, chiamate coppie di Cooper, che si muovono senza resistenza elettrica. Queste coppie sono formate dagli elettroni del flusso di corrente e dagli elettroni rilasciati dal reticolo solido del materiale superconduttore. Una volta accoppiati, gli elettroni non interagiscono più direttamente con il reticolo circostante e dunque la corrente di elettroni fluisce con il minimo sforzo. Al superamento di un determinato valore di campo magnetico esterno che viene applicato, chiamato valore critico di campo magnetico (BC), il materiale passa direttamente dallo stato di superconduttore allo stato normale e perde le proprietà sopra descritte. Tipici esempi sono il mercurio e l'alluminio.

Esistono poi i superconduttori di tipo II. Questa famiglia ha due valori critici di campo magnetico, Bc1 e Bc2. Al di sotto di Bc1, essi si presentano nello stato superconduttore, come nel caso di superconduttori di tipo I. Al di sopra del valore di campo magnetico critico Bc1, il superconduttore passa in uno stato intermedio, chiamato stato dei vortici. Nel materiale una parte del campo magnetico riesce a penetrare generando dei piccoli vortici di flusso magnetico. Tra Bc1 e Bc2,  dunque, nel materiale coesiste lo stato superconduttore che quello normale. Per campi magnetici esterni superiori a Bc2, lo stato superconduttore viene totalmente perso e si passa allo stato normale. Un tipici esempio è il niobio.

Dove vengono usati e a cosa servono?

Una prima applicazione dei superconduttori riguarda i potentissimi magneti impiegati nei più grandi acceleratori di particelle, fra cui il famoso Large Hadron Collider (LHC) di Ginevra. Qui, ad esempio, i dipoli superconduttori di LHC vengono raffreddati da elio superfluido a 1.9 K, vengono percorsi da correnti enormi (più di 11 mila ampere) per generare un campo magnetico capace di deviare la traiettoria del fascio di particelle.

LHC suprconduttore
in foto: Credit: Maximilien Brice (CERN)

Queste tecnologie vengono impiegate anche nell'ambito medico e biomedico, come nelle risonanze magnetiche e in spettroscopia. Vengono utilizzati per fabbricare gli SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), ovvero apparecchi capaci di misurare dei piccoli campi magnetici. Essendo conduttori perfetti, sarebbero ottimi per il trasporto e l'accumulo di energia elettrica. Per ora, la loro bassa temperatura di funzionamento e il costo non permettono un'implementazione a larga scala. Negli ultimi decenni la ricerca sta concentrando molte risorse per trovare nuovi materiali che diventano superconduttori a temperature più elevate, come ad esempio i materiali HTS (superconduttori ad alta temperatura), sopra i  77 K.

Articolo a cura di
Elena Buratin