Nuovi indizi sul comportamento dei superconduttori ad alta temperatura
La superconduttività dispone del potenziale per aiutare l’Europa a raggiungere l’efficienza energetica e a realizzare nuove entusiasmanti applicazioni. Per assenza di resistenza al flusso elettrico si intende che l’energia non viene persa (come avviene attualmente, ad esempio, nella trasmissione dell’energia dalle centrali elettriche alle abitazioni) e rende tecnicamente fattibili concetti all’avanguardia, come i treni a levitazione magnetica.
Proprietà dei materiali superraffreddati
La superconduttività è stata scoperta oltre 100 anni fa. Ciò che provoca la resistenza in un metallo è la vibrazione degli atomi che lo compongono; quando i materiali vengono raffreddati, l’entità di queste vibrazioni diventa progressivamente inferiore. «In questo caso, dobbiamo considerare la scala della temperatura assoluta», spiega Nigel Hussey, coordinatore del progetto CATCH-22(si apre in una nuova finestra) e docente presso l’Università di Bristol(si apre in una nuova finestra), nel Regno Unito. «Il punto di congelamento dell’acqua, ovvero zero gradi Celsius, è di circa 273 gradi Kelvin, mentre lo zero assoluto, ossia il punto in cui gli atomi smettono di vibrare del tutto, è pari a zero gradi Kelvin. L’aspetto degno di nota dei superconduttori è che lo stato di resistenza zero si raggiunge a temperature finite, cioè quando gli atomi sono ancora in vibrazione: secondo quanto è stato scoperto, infatti, sono queste stesse vibrazioni a promuovere la superconduttività.» Ciononostante, per decenni c’è stato un consenso generale sull’esistenza di una temperatura massima a cui i materiali erano superconduttori: all’incirca, 30 gradi Kelvin. Per raffreddare questi materiali al di sotto di questa temperatura, era necessario avvalersi del costoso elio liquido.
Proprietà superconduttive a temperature più elevate
Negli anni Ottanta, tuttavia, è stata scoperta una classe di composti (chiamati cuprati) che presentano proprietà superconduttive al di sopra di questa soglia. Manipolare i composti per ottenere la superconduttività a temperature fino ai 130 Kelvin significa che, per raffreddare questi materiali, è possibile utilizzare un fluido molto meno costoso dell’elio liquido, ovvero l’azoto liquido, una soluzione che dispone delle potenzialità di aprire la porta a superconduttori più economici. È questa la classe di composti su cui si è concentrato il progetto CATCH-22. Il meccanismo alla base di tale superconduttività costituisce tuttora uno dei grandi misteri della fisica. Sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra), il progetto ha cercato di esplorare, e quindi spiegare, il comportamento adottato da questi superconduttori ad alta temperatura. CATCH-22 si è concentrato su questi materiali allo stato metallico, ovvero prima che diventino superconduttori, al fine di comprendere in maniera migliore come si evolve la resistenza e, in particolare, cosa succede agli elettroni mobili.
Verso una nuova teoria della superconduttività
A tal fine, Hussey e il suo team hanno impiegato campi magnetici elevati, laser a elettroni liberi e impulsi di corrente intensa per ottenere maggiori informazioni su questo stato metallico. «Abbiamo identificato una chiara correlazione tra la resistenza di un materiale allo stato metallico e la sua temperatura superconduttiva», spiega Hussey. «Sebbene i superconduttori ad alta temperatura siano più resistenti, quando li raffreddiamo questa resistenza svanisce.» Il progetto ha inoltre fornito la prima prova di un legame diretto tra la temperatura di transizione superconduttiva e la forza dell’accoppiamento con le cosiddette fluttuazioni di spin. L’ipotesi è che, anziché essere gli atomi a vibrare a dettare la resistenza, la chiave in tal senso sarebbe costituita dagli elettroni in rotazione. «È chiaro che c’è qualche interazione o proprietà aggiuntiva degli elettroni che aumenta la superconduttività, ed è qui che osserviamo qualcosa di strano», spiega Hussey. «Sino ad ora, non sappiamo ancora di cosa si tratti; ciononostante, abbiamo capito dove cercare.» Il progetto CATCH-22 ha compiuto alcuni importanti passi in avanti nello sviluppo di una nuova teoria che spiega il comportamento di questi superconduttori ad alta temperatura. «L’obiettivo adesso è quello di lavorare con teorici intelligenti e sviluppare esperimenti intelligenti per arrivare a questo punto», conclude Hussey.
