Definizione, tipi e usi del superconduttore

Un superconduttore è un elemento o una lega metallica che, se raffreddato al di sotto di una certa temperatura di soglia, il materiale perde drammaticamente tutta la resistenza elettrica. In linea di principio, i superconduttori possono consentire alla corrente elettrica di fluire senza alcuna perdita di energia (anche se, in pratica, un superconduttore ideale è molto difficile da produrre). Questo tipo di corrente è chiamata supercorrente.

La temperatura di soglia al di sotto della quale un materiale passa in uno stato superconduttore è designata come T_c, che sta per temperatura critica. Non tutti i materiali si trasformano in superconduttori e i materiali che fanno ciascuno hanno il loro valore T_c.

Tipi di superconduttori

• Superconduttori di tipo I. agire come conduttori a temperatura ambiente, ma se raffreddato al di sotto T_c, il movimento molecolare all'interno del materiale riduce abbastanza che il flusso di corrente può muoversi senza ostacoli.
• I superconduttori di tipo 2 non sono particolarmente buoni conduttori a temperatura ambiente, il passaggio allo stato di un superconduttore è più graduale dei superconduttori di tipo 1. Il meccanismo e la base fisica di questo cambiamento di stato non sono, al momento, pienamente compresi. I superconduttori di tipo 2 sono in genere composti e leghe metalliche.

Scoperta del superconduttore

La superconduttività fu scoperta per la prima volta nel 1911 quando il mercurio fu raffreddato a circa 4 gradi Kelvin dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes, che gli valse il premio Nobel per la fisica nel 1913. Negli anni successivi, questo campo si è notevolmente ampliato e sono state scoperte molte altre forme di superconduttori, inclusi i superconduttori di tipo 2 negli anni '30.

La teoria di base della superconduttività, BCS Theory, valse agli scienziati, John Bardeen, Leon Cooper e John Schrieffer, il premio Nobel per la fisica nel 1972. Una parte del Premio Nobel per la fisica del 1973 è andata a Brian Josephson, anche per il lavoro con la superconduttività.

Nel gennaio 1986, Karl Muller e Johannes Bednorz fecero una scoperta che rivoluzionò il modo in cui gli scienziati pensavano ai superconduttori. Prima di questo punto, la comprensione era che la superconduttività si manifestava solo quando si raffreddava quasi allo zero assoluto, ma usando un ossido di bario, lantanio e rame, scoprirono che divenne un superconduttore a circa 40 gradi Kelvin. Ciò ha avviato una corsa alla scoperta di materiali che funzionavano come superconduttori a temperature molto più elevate.

Nei decenni successivi, le temperature più alte che erano state raggiunte erano di circa 133 gradi Kelvin (anche se si poteva ottenere fino a 164 gradi Kelvin se si applicava una pressione elevata). Nell'agosto 2015, un articolo pubblicato sulla rivista Nature riportava la scoperta della superconduttività a una temperatura di 203 gradi Kelvin quando era sotto alta pressione.

Applicazioni dei superconduttori

I superconduttori sono utilizzati in una varietà di applicazioni, ma in particolare all'interno della struttura del Large Hadron Collider. I tunnel che contengono i raggi di particelle cariche sono circondati da tubi contenenti potenti superconduttori. Le supercorrenti che fluiscono attraverso i superconduttori generano un intenso campo magnetico, attraverso l'induzione elettromagnetica, che può essere utilizzato per accelerare e dirigere la squadra come desiderato.

Inoltre, i superconduttori mostrano l'effetto Meissner in cui annullano tutto il flusso magnetico all'interno del materiale, diventando perfettamente diamagnetici (scoperto nel 1933). In questo caso, le linee del campo magnetico viaggiano effettivamente attorno al superconduttore raffreddato. È questa proprietà dei superconduttori che viene frequentemente usata negli esperimenti di levitazione magnetica, come il bloccaggio quantico visto nella levitazione quantistica. In altre parole, se Ritorno al futuro gli hoverboard di stile diventano sempre realtà. In un'applicazione meno banale, i superconduttori svolgono un ruolo nei progressi moderni nei treni a levitazione magnetica, che offrono una potente possibilità per il trasporto pubblico ad alta velocità basato sull'elettricità (che può essere generata utilizzando energia rinnovabile) in contrasto con la corrente non rinnovabile opzioni come aerei, automobili e treni a carbone.

A cura di Anne Marie Helmenstine, Ph.D.