Superconduttività

Heike Kamerlingh Onnes, nel 1908 a Leida, riuscì per primo a liquefare l’elio scendendo a $T \approx 4{,}2$ K. Nel 1911, misurando la resistività del mercurio a quelle temperature, si accorse che $\rho$ non semplicemente diminuiva: precipitava esattamente a zero sotto $T_c = 4{,}15$ K. Nel 1913 ricevette il Nobel.

Principio — Superconduttività

Sotto una temperatura critica $T_c$ caratteristica del materiale, la resistività di un superconduttore è rigorosamente nulla. Una corrente messa in moto in un anello superconduttore continua a circolare per anni senza perdita energetica.

Materiale	$T_c$
Hg (mercurio)	4,15 K
Pb (piombo)	7,2 K
Nb (niobio)	9,3 K
NbTi (lega)	9,5 K
YBa$_2$Cu$_3$O$_7$ (YBCO)	93 K
HgBa$_2$Ca$_2$Cu$_3$O$_x$	135 K

Due caratteristiche definiscono lo stato superconduttore:

• resistenza nulla (perdita energetica nulla in corrente continua);
• effetto Meissner (1933): il superconduttore espelle completamente il campo magnetico dal suo interno (diamagnetismo perfetto). Da qui la spettacolare levitazione magnetica di un magnete sopra una pastiglia di YBCO raffreddata con azoto liquido.

Applicazioni.

• Magneti per risonanza magnetica medica (MRI): bobine in NbTi immerse in elio liquido, campi $\sim 3$ T.
• Magneti dell’LHC al CERN: circa 1200 dipoli in NbTi a $1{,}9$ K, campi $8{,}3$ T per curvare i protoni a 7 TeV.
• Trasporto urbano: il Maglev di Shanghai e il giapponese L0 (record 603 km/h, 2015) sfruttano bobine superconduttrici.
• Computer quantistici (Google, IBM, Rigetti): i qubit sono giunzioni Josephson superconduttrici a $\sim 20$ mK.

Contesto storico

La spiegazione microscopica della superconduttività “classica” arrivò solo nel 1957 con la teoria BCS (Bardeen, Cooper, Schrieffer; Nobel 1972): gli elettroni si accoppiano in coppie di Cooper mediate dalle vibrazioni del reticolo, e queste coppie obbediscono alla statistica bosonica anziché fermionica, formando un condensato che scorre senza resistenza. La superconduttività ad alta $T_c$, scoperta nel 1986 da Bednorz e Müller (Nobel 1987) nei cuprati, non è BCS standard: il suo meccanismo microscopico è ancora oggi materia di ricerca (Simonyi 2012).

Collegamenti

Argomenti: Circuiti elettrici Concetti: Legge di Ohm

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