In fisica la superconduttività è un fenomeno fisico che comporta resistenza elettrica nulla ed espulsione del campo magnetico. Il fenomeno si verifica in alcuni materiali se posti al di sotto di un preciso valore di temperatura detto temperatura critica e caratteristico del materiale e, semplificando, al di sotto di un caratteristico valore critico del campo magnetico. Come il ferromagnetismo e le linee spettrali atomiche, questo fenomeno non è spiegabile mediante la fisica classica, ma è necessario basarsi sulla più complessa meccanica quantistica.L'effetto Meissner-Ochsenfeld, cioè il fatto che alcuni materiali espellono il campo magnetico presente al loro interno quando al diminuire della temperatura passano nello stato superconduttore, indica che la superconduttività non può essere spiegata come un perfetto conduttore della fisica classica. Un conduttore normale (per la legge di Faraday) espelle quasi completamente un campo magnetico se si aumenta improvvisamente il flusso concatenato, ma l'espulsione del campo magnetico da parte di un superconduttore può avvenire anche se il flusso concatenato non varia e cambia la temperatura passando il materiale dallo stato normale a quello superconduttore.
Generalità L'utilità pratica dei superconduttori è per ora estremamente limitata: uno dei loro difetti più limitanti è l'avere una temperatura critica così bassa (sempre molto al di sotto di 0 gradi Celsius a meno di non impiegare alcuni gas a pressioni elevatissime) da richiedere una complessità di costruzione del sistema di raffreddamento, un consumo di energia per mantenerlo in esercizio e quindi un costo e una inaffidabilità enormi. L'azoto liquido, che bolle a , è il fluido criogenico più diffuso ed economico, che aprirebbe la strada alla maggior parte delle applicazioni ipotizzate per i superconduttori. Di solito quindi è questa la temperatura che viene scelta come la linea di demarcazione tra superconduttori a temperatura rispettivamente alta (chiamati HTS, "High temperature superconductors") e bassa (LTS, "Low temperature superconductors"). La maggior parte dei superconduttori tuttora noti ha purtroppo temperatura molto al di sotto di questa soglia.
Prima del 1986-7 si conoscevano solo superconduttori con temperatura critica sotto : l'YBCO, con una temperatura critica di è stato il primo HTS scoperto, e rimane ancora oggi il principale HTS per semplicità costruttiva e esperienza di impiego. La frontiera della ricerca pura con scarse applicazioni pratiche dirette è verso superconduttori a temperatura ambiente; per ora ci sono solo alcuni casi di particolari gas, come il solfuro di idrogeno, che solo ad altissima pressione (più di mille volte la pressione atmosferica) diventano superconduttori. Gas a pressione così alta non troveranno quasi sicuramente un'applicazione pratica, ma le verifiche della loro superconduttività servono a validare alcuni modelli fisici (quantistici) di superconduttività, e a capire semmai quali nuovi materiali indagare come possibili candidati superconduttori.
La resistenza elettrica di un conduttore metallico diminuisce gradualmente al diminuire della temperatura. Ma nei metalli comuni, come ad esempio il rame o l'argento, al di sotto di una certa temperatura, che dipende dalle impurità e dai difetti, la resistenza non varia più. Quindi anche vicino allo zero assoluto i conduttori tradizionali presentano una resistenza elettrica. Il fatto rilevante nei superconduttori è che la resistenza si annulla completamente di colpo appena si raggiunge la temperatura critica per la superconduzione, e rimane nulla anche se si scende al di sotto della temperatura critica.
Quindi una corrente elettrica può essere presente indefinitamente in un circuito chiuso in superconduttore senza nessun generatore che lo alimenti, trascurando le perdite alle pareti del superconduttore: questo lo rende ideale per esempio per realizzare i più potenti elettromagneti, in quanto il calore dissipato per effetto joule diventa trascurabile rispetto a quello di un conduttore normale, e non si manifesta saturazione: bisogna però essere sicuri di riuscire a mantenere la temperatura al di sotto di quella critica.
Di solito, per giustificare il costo e la complessità tecnologica di un circuito di raffreddamento per potere impiegare un superconduttore a bassa temperatura, è necessaria un'applicazione altamente tecnologica.
L'esempio principale di applicazione, già realizzata e non solo futuribile, è in effetti costituita dagli elettromagneti dell'acceleratore di particelle LHC al CERN, e del reattore a fusione ITER: in entrambi i casi il superconduttore che fu scelto sin dalle fasi iniziali del progetto è di tipo tradizionale a bassa temperatura, raffreddato ad elio liquido a circa .
Storia
Il fenomeno della superconduttività fu scoperto nel mercurio nel 1911 dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes, a temperature criogeniche utilizzando l'elio prodotto già pochi anni prima in forma liquida. La liquefazione dell'elio fu il fatto rilevante per cui ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1913. Egli trovò che alla temperatura di , la resistenza del mercurio si annullava. Nello stesso esperimento, egli trovò anche la transizione superfluida dell'elio a , però non ne capì l'importanza.
Solo nel 2011, cento anni dopo il fatto venne ricostruito riesaminando i quaderni di laboratorio.
Negli anni successivi la superconduttività fu osservata in molti altri materiali, quasi tutti metalli di transizione. Nel 1913 fu trovato che anche il piombo era superconduttore a . Kamerlingh Onnes vide subito un'applicazione concreta rivoluzionaria: quella di magneti estremamente più potenti dei magneti convenzionali. Cercò subito di creare un magnete da (un obbiettivo ancora attuale), utilizzando un superconduttore basato sul piombo, ma riuscì a fare campi a malapena da (qualche millesimo). La svolta tecnologica sui magneti iniziò in effetti nel 1941, quando vennero scoperti i primi superconduttori del II tipo.
Il primo fu il nitruro di niobio, superconduttore a , ed in seguito altre leghe.
Grandi sforzi vennero fatti negli anni successivi per trovare le spiegazioni fisiche della superconduttività; un passo importante avvenne quando Meissner e Ochsenfeld scoprirono l'effetto di espulsione del campo magnetico da parte dei superconduttori, fenomeno che viene chiamato in loro onore "effetto Meissner". Nel 1935 i fratelli Fritz e Heinz London mostrarono che l'effetto Meissner è una conseguenza della minimizzazione della energia libera di Gibbs. La prima teoria storica dei superconduttori è sintetizzata da due equazioni, dette le equazioni di London: il successo della teoria fu proprio la spiegazione dell'effetto Meissner.
Nel 1950 si scoprì che la temperatura critica è proporzionale alla radice della massa isotopica (scoperto contemporaneamente dai team di ricerca di Maxwell e Reynold). Questo importante risultato sperimentale mise in luce per la prima volta l'importanza della interazione fonone-elettrone per spiegare il meccanismo microscopico della superconduttività.
Nel 1955 viene fabbricato il primo prototipo di magnete con un campo decisamente maggiore rispetto ai magneti a conduttore convenzionale. Il magnete produce un campo di , ed è fatto da un avvolgimento di una lega niobio-titanio, divenuta da allora lo standard: è ancora oggi la lega utilizzata come standard in quasi tutti i magneti a superconduttoreG. B. Yntema, “Superconducting Winding for Electromagnet”, Phys. Rev. 98, 1197 (1955).
Nel frattempo lo sviluppo della teoria fisica della materia condensata riesce a spiegare il comportamento dei superconduttori convenzionali, attraverso due approcci diversi. Il primo, nel 1950, con la teoria di Ginzburg-Landau che mette insieme la teoria di Landau delle transizioni di fase del secondo ordine con un'equazione simile a quella di Schrödinger. In questo modo vengono spiegate molte proprietà macroscopiche dei superconduttori, in particolare, come mostrato da Abrikosov, si riesce a prevedere la divisione dei superconduttori in due tipi, oggi chiamati superconduttori del I e II tipo. Per questi lavori Abrikosov e Ginzburg hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2003 (Landau lo aveva ricevuto nel 1962 per altri lavori ed era morto nel 1968). Il secondo approccio arrivò nel 1957, ad opera di Bardeen, Cooper and Schrieffer, con la teoria BCS (dalle loro iniziali). La teoria BCS, divenne la teoria completa della superconduttività, che spiega la corrente superconduttrice come dovuta a un superfluido fatto di coppie di Cooper, coppie di elettroni che si attraggono attraverso lo scambio di fononi. L'importanza di questo lavoro valse agli autori il premio Nobel per la fisica del 1972.
La teoria BCS fu perfezionata nel 1958 quando Bogoljubov mostrò che la funzione d'onda della teoria BCS, che era stata ricavata mediante metodi variazionali, poteva essere ottenuta mediante una trasformazione canonica della Hamiltoniana elettronica. Nel 1959 Gork'ov mostrò che la teoria BCS si riduceva alla teoria di Ginsburg-Landau nelle vicinanze della temperatura critica. La generalizzazione della teoria BCS per i superconduttori convenzionali forma la base per la comprensione della superfluidità, avendo la transizione molte caratteristiche simili all'elio-4 superfluido. I superconduttori non convenzionali non riescono a essere descritti da questo modello.
Nel 1961 Doll e NabauerR. Doll and M. Nabauer, Phys. Rev. Lett. 1961, 7 51 verificarono la quantizzazione del flusso magnetico, che era stata prevista nel 1948 da F. LondonF. London, Superfluids John Wiley and Sons, New York, 1950, seppur con un valore due volte maggiore (considerava singoli elettroni e non le coppie di Cooper).
Nel 1962 B. Josephson prevideB. Josephson, Possible new effects in superconductive tunnelling, Physics Letters, 1 pp. 251–253."Possible new effects in superconductive tunnelling" che una supercorrente poteva scorrere tra due superconduttori separati da un sottile isolante. Questo fenomeno attualmente è chiamato effetto Josephson. Questa scoperta assieme alla quantizzazione del flusso magnetico permisero nel 1964 di realizzare i primi SQUIDR. Jaklevic, J. J. Lambe, J. Mercereau and A. Silver, Quantum Interference Effects in Josephson Tunneling, Phys. Rev. Lett. 12, 159 (1964).
Nel 1973 viene trovato che il Nb3Ge ha una temperatura di , tale valore rimase la più alta temperatura in un superconduttore per 13 anni.
Superconduttività ad alte temperature
Nel 1986 K. A. Müller e J. G. Bednorz scoprirono che una ceramica di bario, lantanio, rame e ossigeno diventa superconduttrice alla temperatura di circa , temperatura significativamente maggiore dei della migliore lega superconduttrice allora nota. Anche Müller e Bednorz ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 1987.
Sono poi state scoperte ceramiche, sempre a base di rame e ossigeno, tali da permettere di usare l'azoto liquido (alla temperatura di ) come refrigerante, molto più economico ed efficiente dell'elio. Queste scoperte e i modelli teorici hanno suggerito ai ricercatori la possibilità dell'esistenza di superconduttori a temperatura ambiente, che da allora attirano molti investimenti economici nei laboratori di ricerca avanzati di tutto il mondo.
Nel 1993 è stato scoperto un superconduttore con una temperatura critica più alta, ; è un composto ceramico a base di mercurio, bario, calcio, rame e ossigeno, () ottenuto per sostituzione del tallio. A partire dal 2015 sono stati scoperti gas a base di idrogeno, come il solfuro di idrogeno, che, ad altissima pressione, hanno una temperatura critica più vicina allo zero centigrado, ma si parla di pressioni tanto alte da scoraggiare le applicazioni pratiche, centinaia di GPa, quasi un milione di volte la pressione atmosferica. Classificazione