10. FISICA DEI MATERIALI

10.1 SUPERCONDUTTORI

Science, 15 Jan 93, Vol. 259, pg. 306 - Ivan Amato - La America Superconductor Corp. (ACS) ed altre compagnie stanno realizzando fili e nastri a partire dalle ceramiche high temperature superconducting (HTS) per l’impiego in avvolgimenti elettrici (motori , ecc.). Le ceramiche HTS, conosciute come BSCCO (costituiti da bismuth, strontium, calcium, copper, oxygen) sono state scoperte in Germania nel 1989 e sono preferiti per la realizzazione di fili. I primi HTS furono i composti di yttrium-barium-copper-oxide (YBCO) scoperti dai ricercatori delle università di Alabama e di Houston nel 1987 con una temperatura di superconduzione di 92 K molto superiore alla temperatura di 77 K dell’azoto liquido. Nel 1988 si sono realizzati composti di ossidi di tallio e rame con una temperatura record di 127 K, ma non adatti per fili.

Science, 12 Mar 93, Vol. 259, pag. 1550 - Theodore H. Geballe - La scoperta della superconduttività in composti a base di ossidi di rame è stata inaspettata e rivoluzionaria. Tutti questi composti hanno in comune degli strati o piani di ossido di rame (Cu O2) fra i quali si suppone che si stabilisca la superconduttività. La temperatura di transizione di 125 K sembra sia il limite raggiungibile. Negli anni 80 si sono scoperti e studiati una serie di composti con temperatura crescente di superconduzione: (La,Sr)2CuO4 con Tc=40 K, YBa2 Cu3 O7 con Tc=90 K, Bi/Sr/Ca/Cu/O con Tc=105 K, Tl/Ba/Ca/Cu/O con Tc >120.

Science, 7 Mag 93, Vol. 260, pg. 755 - Ivan Amato - Un gruppo di ricercatori della Technische Hochschule di Zurigo ha comunicato la scoperta di un nuovo materiale formato da due distinti composti che inizia ad essere superconduttore a 133 K superando la barriera dei 127 K fino ad oggi la più alta temperatura raggiunta per i semiconduttori. Il materiale, che è difficile da realizzare e tossico, ha un nuovo ingrediente: il mercurio, insieme al bario, rame ed ossigeno.

Science, 16 Jul 93, Vol. 261, pg, 294 - Ivan Amato - La ricerca sui superconduttori ad alta temperatura (HTS) è andata avanti in modo sperimentale ed intuitivo piuttosto che con il supporto della teoria. In realtà le teorie che spiegano come materiali ceramici possano condurre l’elettricità senza resistenza a queste temperature sono molto numerose. Tuttavia esse sono troppo vaghe e complesse per una prova decisiva. Le teorie più accreditate si basano sulla formazione all’interno del materiale di coppie di elettroni che si muovono di conserva nel reticolo e che per ragioni di meccanica quantistica non urtano gli atomi della struttura che anzi si distorce facilitando il moto.

Science, 17 Sep 93, Vol. 261, pg. 1521 - Gary Taubes - I superconduttori perdono le loro proprietà in presenza di un campo magnetico o all’aumentare della corrente. Ciò perché il campo crea dei vortici nei quali si generano delle perdite per resistenza. Si è trovato che bombardando i materiali superconduttori con ioni in modo da produrre dei buchi nel reticolo questi difetti catturano i vortici e permettono al materiale di mantenere la sua superconduttività anche in presenza di campi magnetici più elevati sempre sopra la temperatura dell’azoto liquido di 77° K. Creare questi buchi richiede però acceleratori di mezzo miliardo di elettroni volt con ioni pesanti. Con bombardamento di ioni di stagno su un cristallo superconduttore a base di yttrio si sono generati fori da 60 ångström di diametro e si è mantenuta la superconduttività con un campo magnetico di 4 tesla a 77 K con una corrente di 100000 amperes per cmq. Un metodo più economico adottato è quello del bombardamento neutronico in un reattore nucleare che però crea dei fori orientati in modo randomico. Si può raggiungere così una corrente di 85000 amperes per cmq in un campo magnetico di 2 tesla a 77 K.

Science, 17 Dec 93, Vol. 262, pg. 1816 - Robert Pool - Il Centre National Recherches Scientifique in Parigi ha comunicato che è stato scoperto un materiale capace di diventare superconduttore alla temperatura di 250 K comparabile a quella di un freddo inverno. Fino a questo momento la massima temperatura raggiunta è stata di 133K. I superconduttori contengono sempre strati di atomi di rame ed ossigeno alternati a strati di differente composizione. I ricercatori francesi hanno notato che realizzando parecchi strati contigui di rame ossigeno si poteva aumentare la temperatura critica. La temperatura di 250 K è stata raggiunta con 8 strati di rame ossigeno.

Science, 12 Aug 94, Vol. 265, pg. 860 - Daniel Clery - Dalla scoperta dei primi superconduttori ad alta temperatura nel 1986, i ricercatori cercano di capire il meccanismo del fenomeno. Ci sono attualmente due modelli che cercano di spiegare il moto degli elettroni senza dissipazione all’interno del superconduttore: uno è basato sulla teoria classica e l’altro completamente nuovo. Un punto comune fra superconduttori a bassa ed alta temperatura è il fatto che gli elettroni viaggiano a coppie. Quando l’energia termica si abbassa sufficientemente gli elettroni creano una distorsione nella struttura: un’onda detta fonone che permette lo scorrere senza urti degli elettroni. I superconduttori ad alta temperatura hanno una struttura formata da strati di atomi di rame ed ossigeno separati da strati di altri atomi e lungo questi strati gli elettroni si possono muovere più liberamente. Questa spiegazione contrasta però con il fatto che in questi materiali è necessario aggiungere nel cristallo altri atomi che producono uno stato di antiferromagnetismo che provoca un orientamento casuale negli spin degli atomi. Un’altra teoria ammette che si formano delle fluttuazioni degli spin su cui si sincronizzano le coppie di elettroni in una forma di simmetria detta in meccanica quantistica d-wave. Nella teoria dei fononi invece le coppie di elettroni non hanno momento angolare e si dice che hanno simmetria di s-wave. Si sono ideati degli esperimenti per provare quale di queste due simmetrie è applicabile.

Science, 30 Sep 94, Vol. 265, pg. 2014 - Robert F. Service - Recenti esperienze sembrano confermare il fenomeno quanto meccanico noto come d-wave per i superconduttori ad alta temperatura (HTS) a base di yttrium-bario-rame-ossigeno (YBCO). La battaglia tuttavia non è chiusa perché altri materiali come quelli a base di neodimio-cerio-rame-ossigeno (NCCO) suggeriscono un comportamento s-wave. Allo stesso tempo nuove famiglie di materiali sono state scoperte con proprietà di superconduttività a temperature superiori ai 133 K come dalla seguente tabella:

Questi materiali non sono stati però completamente provati perché, oltre a dimostrare assenza di resistenza elettrica, devono mostrare un effetto di cancellazione su un campo magnetico esterno e questo non è stato ancora provato forse per le dimensioni troppo piccoli dei campioni.

Science, 5 May 95, Vol. 268, pg. 644 - Robert F. Service - Gli attuali superconduttori per alta temperatura (HTS) perdono le loro proprietà in presenza di forti campi magnetici impedendo così la loro applicazione per immagine a risonanza magnetica (MRI) e per motori elettrici. In questo caso bisogna scendere a temperature di 20 K con raffreddamento ad elio liquido, condizione che esce dal campo degli HTS. Ora nei Laboratori di Los Alamos si è riusciti a realizzare un nastro semiconduttore flessibile di tipo YBCO capace di reggere oltre i 9 tesla a 77 K. Per il momento però il processo di fabbricazione, a deposizione, è troppo lento per una produzione industriale.

Science, 19 Jan 96, Vol. 271, pg. 288 - Daniel Clery - Ancora 9 anni dopo la scoperta dei superconduttori ad alta temperatura non c’è accordo sulla spiegazione del fenomeno. Il maggior numero di prove sperimentali favoriscono la teoria descritta con la funzione matematica detta d-wave secondo la quale gli elettroni si muovono non come fononi, ma su fluttuazioni magnetiche. Altri esperimenti favoriscono però la teoria detta s-wave basata sui fononi. Per ambedue le teorie il punto di partenza è che gli elettroni si muovono in coppia e ciò implica che qualche forza contrasta la repulsione mutua fra le due cariche. Per la teoria d-wave questa forza è un’interazione magnetica nota come spin fluctuation nella coppia di elettroni e la funzione quantistica presenta 4 lobi orientati secondo due direzioni perpendicolari del cristallo per cui gli elettroni non possono muoversi secondo le diagonali. La teoria basata sui fononi predice una funzione quantistica s-wave di forma sferica e le coppie di elettroni possono muoversi con uguale probabilità in tutte le direzioni. Tre anni fa sono stati proposti degli esperimenti per distinguere fra s-wave e d-wave basati sul fatto che per il d-wave gli elettroni che si muovono secondo un asse presentano uno sfasamento di 180 gradi rispetto a quelli che si muovono secondo la direzione perpendicolare e questo non succede per la s-wave. Questa misura è però molto difficile e non si è dimostrata conclusiva.

Science, 29 Mar 96, Vol. 271, pg. 1804 - Robert E. Service - I ricercatori hanno portato la temperatura degli HTS (High Temperature Superconductor) a 134 K ed ormai gli HTS, raffreddati ad azoto liquido, sono usati per aumentare la sensibilità di strumenti scientifici, nei filtri contro il rumore della telefonia cellulare ed in un gran numero di applicazioni con un mercato potenziale enorme. Si crede ormai che il prossimo decennio sia quello del mercato. La storia dei superconduttori è riassunta nelle seguenti tappe:

Nonostante questi progressi non c’è ancora consenso sul meccanismo della superconduttività. Mentre a bassa temperatura è giustificata la teoria dei fononi che trascinano coppie di elettroni nel reticolo, ad alta temperatura il reticolo non lo consente perché ha un livello di energia troppo alto. Una teoria alternativa suppone che il campo magnetico negli atomi del reticolo, invece di essere orientato in modo caotico, assume un orientamento alternato, su e giù, e questo crea un’attrazione magnetica sulle coppie di elettroni. Tuttavia tale meccanismo non è accettato da molti. Dal lato sperimentale c’è poi speranza di superare ancora il limite di 134 K avendo anche raggiunto i 164 K, se pure in alta pressione, per il composto a base di mercurio. Gli ottimisti non vedono fondate ragioni perché non si possa salire ancora in temperatura.

Science, 16 Aug 96, Vol. 273, pg. 882 - Alexande Hellemans - Le scarse proprietà meccaniche dei superconduttori ad alta temperatura (HTS) hanno rallentato il loro impiego nelle applicazioni che richiedevano l’uso di fili, ma questi superconduttori hanno altre interessanti applicazioni nella forma di film sottile ed è più facile controllare la loro composizione in un film introducendo altri elementi per deposizione o sputtering. Film HTS su circuiti integrati sono di impiego per i dispositivi SQUID (superconducting quantum interference device) come rivelatori di campi magnetici e circuiti logici per computer ad alta velocità. Si possono ottenere velocità di 100 gigahertz o più alte, il problema sta però nelle memorie HTS che sono molto ingombranti dell’ordine di 4 kilobyte per chip rispetto ai 4 megabyte per chip convenzionali. I film superconduttori hanno applicazioni nei circuiti a microonde, i cui segnali scorrono sugli strati superficiali, e specialmente nei filtri a microonde che permettono bande passanti molto strette. Tali filtri possono essere installati sulle torri riceventi di telefonia cellulare, un’applicazione commerciale molto importante.

Science, 4 Jul 97, Vol. 277, pg. 50 - Patrick A. Lee - Molti dei comuni metalli ad una certa temperatura critica subiscono un transizione di fase che li rende superconduttori. Questo fenomeno è stato spiegato in termini di accoppiamento di elettroni a formare le coppie di Cooper chiamate “quasiparticelle”. Fino a 10 anni fa si è creduto generalmente che il momento angolare delle coppie di Cooper fosse una “s wave” con comportamento isotropo e questa teoria funziona perfettamente per quasi tutti i superconduttori metallici. Con la scoperta dei superconduttori ad alta temperatura a base di cuprati nel 1986, si è affermata la teoria che in questo caso si forma una simmetria “d wave” di tipo anisotropo con i nodi disposti secondo due diagonali in analogia a quanto succede nello stato superfluido dell’He3. Rimane tuttavia ancora inspiegabile su queste basi la rapida riduzione della conducibilità con il campo magnetico, al di sopra di un certo valore critico, e non si sa quindi se la teoria potrà essere sottoposta a modifiche o dovrà subire una più profonda revisione.

Science, 31 Oct 97, Vol. 278, pg. 820 - Ross H. McKenzie - La scoperta di superconduttori organici basati sulla molecola di bis-ethylenedithio-tetrathiafulvalene (BEDT-TTF) ha posto il problema se vi siano relazioni con i cuprati in quanto ci sono proprietà simili e comportamento di metallo non convenzionale. La famiglia di questi composti è del tipo (BEDT-TTF)2-X dove X è un Cu(N(CN)2) e si formano strati fra ioni ad esempio di Br. Il diagramma di fase è complesso in funzione della pressione e della temperatura con comportamenti di metallo e di fase antiferromagnetica e superconduttore. La struttura a strati suggerisce un comportamento fisico simile ai cuprati con una forte interazione fra gli elettroni.

Science, 12 Dec 97, Vol. 278, pg. 1879 - Robert F. Service - Da quando, 11 anni fa, sono stati scoperti, i superconduttori ad alta temperatura (HTS) hanno dato da pensare ai fisici e, più si conosce sul loro comportamento, più esso risulta inesplicabile. Si tratta di fragili materiali ceramici basati su ossidi di rame, detti cuprati, che perdono ogni resistenza elettrica quando sono raffreddati a 175 gradi sotto lo zero. Al di sopra di questa temperatura (Tc), inoltre, il loro comportamento elettrico e magnetico si discosta da quello dei metalli o delle ceramiche o di ogni altro materiale noto e non sembrano obbedire alle teorie che spiegano le proprietà dei superconduttori metallici a bassa temperatura. Al di sopra di Tc possono diventare cattivi conduttori come le ceramiche, ma la conduttività è peggiore in certe direzioni. Nei cuprati, la cui struttura è costituita da strati di rame-ossigeno alternati a strati di altri atomi, la conduttività è circa 10000 volte più alta secondo gli strati rame-ossigeno che in direzione perpendicolare. Anche il comportamento magnetico è strano, la grandezza dell’effetto Hall cambia bruscamente alla transizione Tc mentre nei normali metalli resta invariata. In tutti i cuprati gli atomi di rame si comportano come piccoli magneti che nello stato di superconduzione tendono ad allinearsi alternativamente su e giù e si è pensato che queste oscillazioni di orientamento possano trascinare le coppie di elettroni, ma anche al di sopra di Tc si trovano forti residui di questa eccitazione. Un’altra stranezza sta nel drogaggio; i cuprati puri sono isolanti, il drogaggio con bario o stronzio li trasforma in conduttori, ma il livello di drogaggio è critico e influisce sulla Tc, il valore ottimo è del 15%, ma se si sale o si scende del 5% non si ha più la superconduzione. Nei superconduttori metallici al di sotto di Tc si forma un gap fra i livelli di energia degli elettroni e questi si muovono in coppia assorbendo un’energia superiore a quella di accoppiamento, questo è un indice dello stato di superconduzione ed il gap sparisce sopra Tc. Negli HTS sottodrogati il gap rimane anche sopra Tc e per questo si parla di pseudogap. Una nuova teoria dovrebbe spiegare tutte queste stranezze, ma al momento esistono troppe teorie che però non riescono a dare ragione di tutti i fenomeni.

Science, 16 Jan 98, Vol. 279, pg. 410 - Peter Gammel and David Bishop - Quando circa 10 anni fa furono scoperti i superconduttori ad alta temperatura si ebbe l’aspettativa di un’imminente rivoluzione tecnologica; ad oggi questa rivoluzione non si è ancora verificata. Il problema sta nel comportamento anomalo del campo magnetico che all’interno del reticolo forma dei piccoli vortici che non si comportano come ci si aspetta e questo limita la corrente trasportabile. Quando al materiale superconduttore viene applicato un campo magnetico, se questo è superiore ad un limite critico superiore il materiale si comporta come un metallo ordinario, se il campo è al di sotto di un limite critico inferiore si comporta invece come supeconduttore. Se il campo e compreso fra i due livelli critici il campo magnetico entra nel reticolo con linee di flusso quantizzate che creano dei piccoli vortici di corrente. Se le linee di forza sono libere di muoversi si ha dissipazione di energia ed il materiale non è superconduttore; se le linee di forza sono bloccate da dei difetti della struttura cristallina il materiale si comporta da superconduttore fino ad un livello di corrente massima per la quale il campo riprende a muoversi.

Science, 21 Apr 2000, Vol. 288, pg. 468 - J. Orenstein and A. J. Millis - La superconduttività ad alta temperatura scoperta 14 anni fa, nel 1986 da parte di Bednorz e Müller, non è stata ancora ben compresa e molte differenti teorie sono state proposte per spiegare il comportamento dei materiali che la presentano. Tre sono le caratteristiche di questi materiali: a) hanno strutture quasi bidimensionali planari composte da strati CuO2 con basso accoppiamento fra i piani; b) la superconduttività ad alta temperatura (Tc) è ottenuta drogando i piani isolanti (Mott); c) la combinazione dello strato isolante di Mott e degli strati di Cu porta a dei comportamenti apparentemente inspiegabili con la fisica convenzionale dei metalli. Mentre in un normale isolante la conducibilità è bloccata dal fatto che tutte le bande elettroniche sono occupate, nell’isolante di Mott la conducibilità è bloccata dalla repulsione fra gli elettroni ed il drogaggio ristabilisce la conducibilità creando dei vuoti dove gli elettroni possono saltare. Si forma inoltre un allineamento antiparallelo degli spin degli atomo di Cu vicini creando un comportamento antiferromagnetico. Le anomalie di comportamento, sia nello stato di superconduttore che in quello normale, vengono attribuite da alcuni ad uno stato collettivo di eccitazione delle cariche e degli spin detto protettorato quantistico.

Science, 13 Jul 2001, Vol. 293, pg. 223 - T. H. Geballe - Dalla scoperta dei superconduttori 15 anni fa l’attenzione è stata concentrata sui materiali contenenti ossidi di rame (cuprati), recentemente si è scoperto che anche un composto del boro, MgB2, ed il C60 drogato sono superconduttori ad alta temperatura, 39 K il primo e 40 o 52 K il secondo, e si è riaperta la discussione sul meccanismo che spiega questa proprietà. L’indagine su tutti gli elementi della Tavola Periodica ha mostrato che i superconduttori stabili sono raggruppati, ma sono tutti più pesanti del Boro e del Carbonio ed il meccanismo della superconduttività, che avviene sempre a temperature non superiori a 23 K nei metalli semplici e nelle loro leghe, viene spiegato dalla teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) della interazione elettroni-fononi secondo cui le vibrazioni della struttura cristallina (fononi) provocano la formazione di coppie di elettroni che trasportano la corrente in modo immune dai fattori che ne disturbano il moto. Per i composti superconduttori ad alta temperatura non c’è ancora una spiegazione ed il meccanismo potrebbe essere diverso. Il record di temperatura critica per i cuprati è di 133 K (-140°C), si tenga presente che la temperatura di liquefazione dell’azoto è di -196 °C.

Science, 31 Aug 2001, Vol. 293, pg. 1570 - Robert F. Service - Nel 1991 ricercatori della AT&T Bell Labs hanno trovato che i cristalli formati dalle molecole C60, le sfere di carbonio, diventano superconduttori a 18 K. Questa settimana un team internazionale guidato dal fisico Hendrik Schön della Bell Labs nel New Jersey ha dimostrato che aumentando la distanza fra i singoli C60 nel cristallo (normalmente 14,15 ångström) con l’interposizione di altre molecole si provoca un aumento esponenziale della temperatura critica (Tc). L’interposizione di molecole di triclorometano ha portato la distanza fra i C60 a 14,29 ångström e la Tc a 80 K, l’interposizione di molecole di tribromometano porta la distanza fra i C60 a 14,45 ångström e la Tc a 117 K. Basterebbe portare la distanza fra i C60 a 4,7 ångström per raggiungere la temperatura ambiente. I cristalli di C60 si prestano inoltre alla realizzazione di transistori e quindi a un’elettronica superconduttiva che sarebbe estremamente veloce e ideale per rivelare piccoli campi magnetici, proprietà preziose per i calcolatori ad alta velocità e le immagini in campo medico.

Science, 28 Sep 2001, Vol. 293, pg. 2410 - Elbio Dagotto - I superconduttori annullano la loro resistenza elettrica al di sotto di una temperature detta critica (Tc), ma per la maggior parte di essi questa è molto bassa, pochi kelvin o meno. Nel 1986 si scoprì che gli ossidi di rame stratificati (cuprati) avevano una Tc di 38 K e nel 1993 si ottennero cuprati con una Tc di 133 K a pressione ambiente, questo è rimasto il limite massimo raggiunto. Recentemente sembra che una nuova strada si sia aperta per i superconduttori ad alta temperatura. Si è intanto dimostrato che una struttura field-effect sovrapposta ad un materiale isolante (ad esempio ossido di rame e di calcio) lo trasforma in conduttore accumulando cariche (elettroni e buchi) sulla superficie. La scoperta più rivoluzionaria però riguarda un materiale formato da molecole giganti C60 (sfere di carbonio), già noto per essere superconduttore a 52 K, questo con opportuno drogaggio raggiunge la temperatura critica di 117 K, vicina al record dei cuprati. Si aprono così diverse strade da seguire per alzare ancora la temperatura critica.

Science, 1 Feb 2002, Vol. 295, pg. 786 - Robert F. Service - L’anno scorso un team di ricercatori giapponesi ha scoperto un nuovo superconduttore, il diborite di magnesio (MgB2), che ora è entrato nelle applicazioni con la realizzazione di lunghi fili che stanno per essere commercializzati. Per molti anni i teorici hanno creduto che le leghe metalliche superconduttrici non potevano superare i 20 K perché al di sopra la temperatura avrebbe creato vibrazioni nella struttura del cristallo che avrebbero scomposto le coppie di elettroni responsabili della superconduttività. Il MgB2 invece si comporta da superconduttore fino a 39 K, una temperatura molto inferiore ai 138 K dei materiali HTS (High Temperature Superconductors), composti a base di ossidi di rame, ma che consente vaste applicazioni nei trasformatori dell’industria elettrica per la semplicità ed economicità di realizzare fili. Infatti 15 anni dopo la scoperte dei superconduttori a ossidi di rame si sta commercializzando solo ora la prima generazione di fili HTS per generatori e motori e ci sono dubbi sulla loro diffusione. I fili di HTS vengono realizzati mettendo insieme grani ceramici composti di bismuto, stronzio, calcio, rame ed ossigeno (BSCCO) su un costoso substrato di argento. La prima generazione di fili costa 200 US$ per chiloampere per metro (kA/m) ed una produzione su larga scala potrà ridurre il costo a 50 US$ per kA/m. Il vantaggio dei fili di HTS è che lavorano a 77 K e possono usare il meno costoso azoto liquido mentre i superconduttori a bassa temperatura, come la lega niobio-titanio (NiTi) devono essere raffreddati a 4 K e richiedono l’elio liquido. Il MgB2, anche se lavora fra 20 e 30 K con un buon margine rispetto al limite, ha un notevole vantaggio tecnologico potendo usate i cryocooler, refrigeratori più semplici. I fili di MgB2 sono poi molto economici e si possono ricoprire con una guaina di ferro, il MgB2 rivaleggia con il costo del NiTi ed è sempre meno costoso del rame. Un altro vantaggio del MgB2 rispetto al BSCCO è la distanza alla quale viaggiano le coppie di elettroni nella struttura cristallina, detta lunghezza di coerenza. Nel MgB2 gli elettroni hanno una lunghezza di coerenza di 5 nanometri, molto grande rispetto alla grandezza della cella cristallina che è di 0,3 nanometri, quindi la coppia di elettroni copre una distanza di più di 10 celle e se esistono dei difetti a livello di una singola cella gli elettroni non li notano. Gli HTS hanno invece il problema opposto, nei BSCCO per esempio la cella unitaria è 10 volte più grande della lunghezza di coerenza e quindi i grani cristallini debbono essere ben allineati e senza difetti e ciò è molto difficile. La ricerca tende ora a migliorare la capacità dei fili di MgB2 rivestiti di ferro di portare corrente oltre i 35000 A/cmq perché i valori richiesti da molte applicazioni vanno da 80000 a 100000 A/cmq a 25 K e con un campo magnetico di 1 tesla. Nello scorso luglio si è annunziato di aver raggiunto i 200000A/cmq e questo fa bene sperare. Un altro campo di ricerca riguarda il mantenimento della superconduttività in presenza di picchi di campi magnetici e si cerca di bloccare i vortici di campi magnetici che si propagano nel reticolo introducendo difetti che funzionano da trappole.

Science, 15 Apr 2005, Vol. 308, pg. 348 - Robert F. Service - La prima generazione di superconduttori ad alta temperatura (HTS) è stata sul mercato per anni e può portare 100 volte la corrente di un normale filo di rame dello stesso diametro ma, poiché il suo costo è più di 100 volte quello del filo di rame, ha fatto poca strada nel mercato. I ricercatori in tutto il mondo stanno spingendo su una seconda generazione per far cadere il prezzo e migliorare le prestazioni usando un composto basato su ittrio, bario, rame ed ossigeno (YBCO), ma vi sono state difficoltà ad ottenere fili lunghi. Ora dopo una decade di lenti ed intermittenti progressi i fili di YBCO sono sul punto di raggiungere il mercato. Lo scorso mese, nella riunione della Materials Research Society dal 28 marzo al 1° aprile, tre compagnie hanno riferito di aver sviluppato tecniche di fabbricazione per ottenere fili di YBCO di 100 m di lunghezza mentre pochi anni fa il meglio che si poteva ottenere era solo circa un metro. In più alcuni dei nuovi fili possono portare corrente come i migliori fili della prima generazione. I ricercatori stanno spingendo per ottenere capacità di 1400 ampere per corte lunghezze e stanno sviluppando tecniche di fabbricazione per abbassare considerevolmente i costi. Ora tutto il problema è nei costi. Dopo la scoperta, circa 20 anni fa, dei superconduttori ad alta temperatura il loro utilizzo sembrava scontato. Mentre i superconduttori a bassa temperatura richiedono un raffreddamento a 20 K, nel 1986 ceramiche con ossido di rame divenivano superconduttori a 77 K e ciò significava poter usare l’azoto liquido invece del costoso idrogeno liquido. Si promisero grandi cose, dai treni a levitazione all’immagazzinaggio indefinito di potenza senza perdite, ma tutto questo dipendeva dal poter trasformare questo fragile materiale in lunghi fili flessibili. La prima generazione fu ottenuta pressando un composto di bismuto, stronzio, calcio, rame ed ossigeno (BSCCO) dentro tubicini di argento e formando dei fili. Il sistema era difficile da ottimizzare e l’uso dell’argento alzava il prezzo. Dieci anni fa i ricercatori del Los Alamos National Laboratory del New Mexico e quelli dell’Oak Ridge National Laboratory in Tennessee arrivarono ad uno schema diverso per ottenere fili più economici con il composto YBCO. Questo manteneva meglio le sue capacità di superconduttore in presenza di campo magnetico ed usava un substrato come il nickel con tecniche derivate dall’industria dei semiconduttori. La cosa però fu più facile a dirsi che a farsi. Il deposito di YBCO formava un array di piccoli granuli, ma se questi non si disponevano con lo stesso orientamento le coppie di elettroni che generano la superconduzione si trovano nell’impossibilità di saltare da un granello all’altro ed inoltre i campo magnetico in molti casi produceva inconvenienti. Le linee di forza perpendicolari alla direzione della corrente producono dei vortici che, se la corrente cambiava, si muovevano aumentando la resistenza e bloccando la superconduzione. Questi fenomeni dovevano essere controllati su tutta la lunghezza del filo ed i ricercatori hanno provato dozzine di cambiamenti nei materiali e nei processi cercando la combinazione migliore. Le specifiche del Department of Energy (DOE) ponevano per obiettivo 300 ampere su 100 m entro il 2006 e 1000 ampere su un km entro il 2010. Alla riunione dello scorso mese l’American Superconductor Corp. del Massachusetts ha presentato una tecnica per fare un filo da 10 m che porta 272 ampere a 77 K mentre la SuperPower di New York si è avvicinata ai 100 m di lunghezza con 100 ampere a 77 K. La ditta giapponese Nagoya Coated Conductor Center ha ottenuto fili da 105 m che portano 159 ampere. Si è trovato che un film di ossido di cerio facilita l’orientamento dei grani e, per aumentare la corrente, si sono usati più strati di grani separati dall’ossido di cerio; questo ha portato la corrente a 1400 amperes, ma è stato provato un campione lungo solo un centimetro. La SuperPower conta di produrre entro il prossimo anno fino a 1000 km di questo filo. Si tratta di vedere ora se le industrie elettriche pesanti vogliono usare i prodotti HTS cominciando con progetti pilota.

Science, 25 Nov 2005, Vol. 310, pg. 1271 - Robert F. Service - Nel 1999 un fisico del Brookhaven National Laboratory a Upton, New York, provocò l’emissione di elettroni da un superconduttore mediante fasci di fotoni. Questa tecnica, detta ARPES (angle-resolved photoemission), può rivelare complessi dettagli di come gli elettroni si comportano all’interno di un materiale. La fotoemissione è stata sperimentata anche da un altro gruppo alla Stanford University di Palo Alto, in California, ed i ricercatori si sono convinti di essere vicini a scoprire il meccanismo che causa in certe ceramiche una superconduttività a temperatura insolitamente elevata, uno dei più grandi misteri della fisica dello stato solido. Ci sono stati dei grandi progressi con gli esperimenti ed i dati sono piuttosto chiari, ma rimangono un gran numero di controversie sulle interpretazioni. Le controversie ci sono state dal 1986 quando due fisici svizzeri, Georg Bednorz ed Alex Müller, hanno scoperto una classe di materiali ceramici, detti cuprati, che contengono rame ed ossigeno e che sono capaci di condurre elettricità senza resistenza a temperatura di 138 kelvin, temperatura tre volte più alta di quella dei migliori superconduttori metallici. Come nei superconduttori convenzionali, gli elettroni dei cuprati formano delle Coppie di Cooper che scivolano attraverso il materiale senza la frizione elettrica tipica dei materiali conduttori. Poiché gli elettroni hanno tutti la stessa carica negativa, si respingono e non tendono a formare coppie, ma nei superconduttori a bassa temperatura gli elettroni in moto creano delle vibrazioni nel reticolo degli atomi che costituiscono i fononi e questi tendono a legare la coppie di Cooper. Si cerca ora di capire che cosa lega le coppie di Cooper nei superconduttori ad alta temperatura e, dopo 20 anni di ricerche, i fisici continuano a discutere su una risposta. L’opinione prevalente è che l’accoppiamento viene favorito dal comportamento magnetico degli atomi di rame nel reticolo dei cuprati. La presenza di un elettrone vicino ad un atomo di rame influenza gli allineamenti degli spin in modo da attrarre un altro elettrone. Altri ricercatori pensano sempre ai fononi o ad altri meccanismi più esotici. Ci sono delle differenze con i superconduttori tradizionali, in questi le coppie scivolano con la stessa facilità in tutte le direzioni mentre nei cuprati, che hanno una complessa struttura stratificata, le coppie si muovono solo sul piano dove si trovano gli atomi di rame ed ossigeno e limitatamente a due assi a 90°, non negli altri due assi a 45°, e, mappando l’energia che lega le coppie in funzione del loro momento (massa per velocità), l’andamento è a forma di trifoglio, molto diverso da quello dei superconduttori metallici. Dalle prove di fotoemissione sembra che la superconduttività dei cuprati dipenda da un insieme di influenze, combinazione dei fononi e dell’eccitazione magnetica, e molti confidano che il problema sarà risolto entro i prossimi due anni.

Science, 4 Aug 2006, Vol. 313, pg. 602 - Adrian Cho - Nei normali superconduttori, le vibrazioni quantiche, o fononi, forniscono il legame per unire in coppia gli elettroni e permettere ad essi di muoversi senza resistenza nel materiale. Per varie ragioni, però, i fisici ritengono che i fononi hanno poco a che fare con i superconduttori ad alta temperatura che conducono l’elettricità con resistenza zero fino a temperature di 138 kelvin. Ora alcune misure di precisione potrebbero indurre i ricercatori a riconsiderare queste assunzioni. Usando uno scanning tunneling microscope (STM) e spostando il sensore sopra la superficie del superconduttore, formato da strati di ossidi di bismuto, stronzio e rame, e variando la tensione fra sensore e superficie, si sono registrati i punti dove varia la corrente. Questi indicavano il numero di stati quantici dove saltavano gli elettroni e che c’era qualcosa che interagiva con gli elettroni; l’elettrone poteva saltare direttamente sullo strato di ossido di rame o fermarsi prima su quello di stronzio. Si è trovata nel reticolo una correlazione fra l’energia dei fononi e questi salti quantici al livello dei piani di rame ed ossigeno.

Science, 17 Nov 2006, Vol. 314, pg. 1072 - Adrian Cho - Venti anni fa una scoperta sensazionale ha scosso il mondo dei fisici quando lo sperimentatore tedesco Georg Bednorz ed il suo collega svizzero Karl Alexander Müller, nel settembre 1986, annunziarono che una strana ceramica fatta di un ossido di lantanio, bario e rame trasferiva l’elettricità senza resistenza ad una temperatura di 35 K, 12 gradi sopra i migliori superconduttori. L’interesse esplose pochi mesi più tardi, quando Paul Chu dell’università di Huston, Texas, ed i suoi colleghi sintetizzarono un composto, formato da ossido di ittrio, bario e rame, che perdeva ogni resistenza all’incredibile temperatura di 93 K, sufficientemente più alta dell’aria liquida. Nel marzo dell’anno successivo, alla riunione dell’American Physical Society, a New York, molti illustri rappresentanti erano convinti di poter realizzare linee elettriche e treni a levitazione a superconduzione. Il nuovo composto era però qualcosa di inaspettato per i fisici della superconduzione e Neil Ashcroft, teorico della Cornell University, predisse che sarebbe stato il problema dei fisici dello stato solido per prossimi 25 anni. La previsione si rivelò esatta e dopo 20 anni dalla scoperta i fisici non concordano ancora su come gli elettroni si formano in coppia per scivolare nel materiale senza attrito ad una temperatura di 138 K. Numerosi sono stati i tentativi di soluzione e più di 100000 rapporti sono stati pubblicati su questo argomento, ma i superconduttori al alta temperatura hanno rifiutato ogni soluzione. C’è abbondanza di informazioni ma poco consenso su quella che dovrebbe essere la soluzione. Nonostante le difficoltà, molti fisici dicono di essere vicini ad una soluzione. Esperimenti di precisione hanno rivelato dettagli sorprendenti sul materiale e simulazioni al computer potrebbero mostrare se il modello è corretto. Qualcuno già afferma che entro 10 anni il problema sarà risolto. Anche i superconduttori convenzionali, scoperti nel 1911 hanno una teoria complessa. In un metallo gli elettroni si muovono secondo onde quantistiche (stati) di energia definita e due elettroni non possono occupare lo stesso stato e si muovono negli stati liberi. Quando i metalli come il piombo ed il niobio sono raffreddati vicino allo zero assoluto, possono abbassare la loro energia legandosi in coppia come danzatori e questo produce la superconduttività, come spiegato nel 1957 dalla teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) per la quale il legame è fornito dalle vibrazioni quantistiche del cristallo del materiale, detti “fononi”. I materiali superconduttori ad alta temperatura (HTS) hanno questo comportamento su un piano, quello formato dagli ioni di rame e ossigeno simile ad una scacchiera. Gli elettroni saltano da uno ione di rame all’altro, scivolando. Come ciò avvenga non è affatto chiaro, il problema è spiegare come gli elettroni che si respingono fra di loro possono formare delle coppie. Alcuni ricercatori pensano che onde magnetiche hanno un ruolo simile a quello dei fononi, altri pensano che abbiano un ruolo la distribuzione delle cariche o delle correnti o anche i fononi, o la loro combinazione. In una delle prime teorie, nel 1987, si ipotizzava che la superconduttività ad alta temperatura fosse dovuta, non ai fononi, ma ai soli elettroni, e tuttavia non ci fu mai accordo sui dettagli. Il contributo del magnetismo ad una spiegazione del fenomeno si basa sul fatto che gli elettroni si comportano come piccoli magneti e si suppone che gli elettroni degli ioni rame adiacenti siano orientati in senso opposto creando una configurazione da antiferromagnetismo; le onde di oscillazioni che ne derivano creano il legame per le coppie di elettroni. Un teorico dell’università di Princeton, Philip Anderson, dice invece che non è necessario nessun legame ed ha proposto uno schema noto come Resonating Valence Bond (RVB) fondato su una connessione quantistica fra elettroni di ioni rame vicini. In base alle proprietà quantistiche, gli elettroni possono puntare contemporaneamente su e giù e quelli vicini formano uno stato quantico di “singlet” capace di scivolare senza resistenza e producendo la superconduttività. Altri ritengono che la chiave vada trovata nei loop di corrente che si formano nella rete di ioni rame ed ossigeno e recenti esperimenti hanno avvalorato questa ipotesi. Tutte queste ipotesi possono anche combinarsi insieme e gli esperimenti hanno dimostrato che le proprietà di superconduzione sono influenzate dal drogaggio del materiale rappresentabile in un diagramma di stato, drogaggio/temperatura, dove si vede che l’area di un superconduttore si trova al di sotto di una temperatura massima e fra due limiti di drogaggio; al di sopra di un certo drogaggio il materiale si comporta come un metallo. Si fa avanti ora l’idea che la soluzione del mistero possa venire da una simulazione al computer di un modello da cui può scaturire il meccanismo della formazione di coppie di elettroni. Lo schema è quello noto come modello di Hubbard in cui gli unici parametri aggiustabili sono la facilità con cui gli elettroni saltano da uno ione all’altro e la forza con cui si respingono. La complessità dei calcoli quanto-meccanici limita la simulazione del modello ad una griglia di poche dozzine di elementi e metodi diversi di approssimazione portano a risultati diversi. Alcuni ricercatori temono che, anche se la simulazione dimostrerà la superconduttività, potrebbe non portare ad una comprensione concettuale della formazione delle coppie. Gli studi in ogni caso hanno permesso di conoscere nuovi stati della materia ed apprendere nuovi concetti; in parallelo gli esperimenti hanno raggiunto nuovi livelli di sensibilità e precisione ed è cambiato il panorama della fisica sperimentale dello stato solido. La superconduttività ad alta temperatura ha aperto una nuova frontiera nello studio degli elettroni fortemente correlati; dopo 20 anni dalla sua scoperta i fisici pensano di non dover attendere altri 20 anni per la soluzione del problema.

Science, 17 Nov 2006, Vol. 314, pg. 1075 - Robert F. Service - Sei mesi dopo la scoperta che una famiglia di ceramiche poteva condurre l’elettricità senza resistenza elettrica, nel mondo scientifico si aprirono fantastiche prospettive di treni a levitazione, nuovi sensori, computer a superconduzione superveloci e, naturalmente, cavi di trasmissioni per l’elettricità senza perdite. Per una generazione cresciuta nelle utopie della tecnologia, tutto sembrava dietro l’angolo. Due decenni dopo, gli sforzi di commercializzazione dei superconduttori ad alta temperatura (HTS) sono risultati deludenti. Esistono delle applicazioni di successo, ma la superconduzione ad alta temperatura è stata sopravvalutata. Risulta difficile guadagnare con gli HTS e nessuna compagnia che ha investito negli Stati Uniti negli HTS ha avuto fino ad ora un anno in attivo. I superconduttori a bassa temperatura (LTS) sono metalli duttili, come le leghe di niobio-stagno da cui si possono formare fili per cavi o avvolgimenti per realizzare magneti nei motori e generatori. Al contrario gli HTS sono ceramiche fragili ed al più si realizzano film di pochi centimetri di ceramica. Parte del problema sta nel fatto che in questi materiali gli elettroni viaggiano a preferenza in certe direzioni della struttura cristallina e gli elementi separati del materiale devono essere allineati in modo che gli elettroni possano saltare da uno all’altro. Se l’allineamento diverge di diversi gradi, la conduttività crolla rapidamente. Si è scoperto che l’allineamento è più facile usando i superconduttori formati da bismuto-stronzio-ossido di rame (BSCCO) i cui grani formano piastrine rettangolari e, nel 1988, si imparò ad assemblarli in tubi di argento formando lunghi fili sottili. La tecnologia dei BSCCO si è oggi perfezionata e diverse compagnie realizzano chilometri di questi fili, detti di prima generazione (1G), per cavi di potenza, motori industriali ad alta efficienza, sistemi di propulsione leggera per le navi e accumulatori per immagazzinare elettricità. Il lato negativo sta nel costo dato l’uso dell’argento e nel fatto che la presenza di forti campi magnetici riduce l’intensità della corrente trasportabile. Quest’anno la Sumitomo Electric giapponese ha presentato un prototipo di motore per propulsione navale che usa un filo 1G avvolto su un nucleo di ferro che lo aiuta a tollerare alti campi magnetici. Il motore è solamente 1/10 in volume ed 1/5 in peso di quelli convenzionali e risparmia inoltre molta energia. Un altro motore navale HTS da 36,5 megawatt della American Superconductor Corp. di Westborough, Massachusetts, ha superato le prove interne e verrà consegnata alla US Navy alla fine dell’anno. Nel 1995 i fisici del Los Alamos National Laboratory hanno studiato una diversa composizione, la YBCO, che riesce a sostenere un milione di ampere per cmq di sezione del filo e sopporta campi magnetici più alti, aprendo la via ad un conduttore di seconda generazione (2G). Il materiale è più difficile da orientare e dovrà ricoprire un’anima di nichel con un processo di accrescimento. In agosto, alla Applied Superconductivity Conference di Seattle, Washington, diverse compagnie hanno presentato studi applicativi per YBCO; la Super Power di New York produce ora normalmente fili 2G da 700-800 m e supererà presto il chilometro. I fili 1G sono quindi in pieno sforzo di commercializzazione mentre i 2G entrano nella fase prototipica. Si apre l’interesse ai cavi a superconduzione per la trasmissione di potenza nei centri urbani degli Stati Uniti dove il DOE pensa che 3500 cavi sotterranei possono essere convertiti in cavi HTS. Tre progetti dimostrativi sono in avvio e questo sarà l’impiego potenziale maggiore per gli HTS. Nonostante ciò la tecnologia HTS è ancora ad alto rischio economico. Il maggiore disincentivo deriva dal costo e dal timore di affidabilità per la scarsa esperienza di impiego. Vi sono però alcune applicazioni che sono uniche per gli HTS, come i limitatori di corrente in caso di guasti alle linee che possono destabilizzare la rete. Un’altra è il condensatore dinamico sincrono HTS che aiuta a mantenere il livello di tensione costante sulla linea. Queste sono due applicazioni che si pensa saranno largamente impiegate. Altre applicazioni rimangono in attesa come i treni a levitazione magnetica, che sono usati solo in Germania, Cina e Giappone e non è chiaro se si diffonderanno, o i filtri elettronici per centrali telefoniche che forse non saranno mai concorrenziali con quelli convenzionali. Il costo dei fili HTS è ancora da tre a cinque volte quello degli equivalenti in rame. Con la produzione dei fili 2G, le compagnie interessate affermano che si arriverà al pareggio alla fine del decennio. L’esperienza degli ultimi 20 anni rende però gli utilizzatori molto prudenti e scettici.

Science, 9 Mar 2007, Vol. 315, pg. 1372 - Jan Zaanen - Nell’ultima decade si è avuta una rivoluzione nella nostra comprensione del comportamento degli elettroni nei solidi. Le regole quanto meccaniche del moto degli elettroni possono rendere questo comportamento molto semplice. Studiando la superconduttività con alta temperatura di transizione (Tc) nelle strutture con ossidi di rame, i fisici hanno trovato invece che i sistemi di elettroni in questi materiali sono estremamente complessi. Nello studio degli elettroni sulla superficie di ossido di rame di questi superconduttori, mediante lo spettroscopio tunnel a scansione, si è riusciti ad analizzare direttamente il traffico degli elettroni e le loro interazioni. Nel mondo classico è nota la forte interazione che si verifica nelle aree metropolitane quando nelle ore di punta il traffico delle macchine si blocca. Lo stesso fenomeno dovrebbe capitare con gli elettroni nei solidi, ma interviene la stranezza della fisica quantistica. Gli elettroni sono soggetti a moti quantistici continui che possono essere così violenti da eliminare le interazioni. I complessi di elettroni trovati nei superconduttori ad alta Tc sono inusuali. Gli ossidi di rame (cuprati) sono isolanti e, per trasformarli in superconduttori, bisogna rimuovere gli elettroni mediane drogaggio, cioè aggiungendo delle impurità. Il moto degli elettroni in questi cuprati si può assimilare ad un traffico sincronizzato (stop-and-go) in cui si crea una complessa configurazione collettiva. Con i calcoli i fisici hanno trovato che gli elettroni, muovendosi lungo i piani di ossidi di rame si dispongono secondo delle autostrade dove si muovono facilmente circondate da domini isolanti dove il traffico degli elettroni è bloccato. Gli esperimenti hanno confermato l’esistenza di queste strade usando scattering neutronico e scattering a raggi X risonanti che però colgono solo le proprietà medie di queste strade. L’uso della spettroscopia tunnel a scansione misura la probabilità quantomeccanica di aggiungere o rimuovere un elettrone in una locazione specifica ad una certa energia, ma è più facile rimuovere che aggiungere un elettrone come nel traffico. Gli elettroni si muovono a preferenza lungo gli allineamenti di ossigeno quindi secondo direzioni perpendicolari. Nei normali superconduttori gli elettroni si associano in coppie che formano un condensato di Bose e generano la superconduttività. L’immagine delle autostrade ottenute con le misure sembrano dare realtà alla presenza di queste coppie anche nei superconduttori ad alta temperatura.

Science, 8 Feb 2008, Vol. 319, pg. 735 - Sudip Chakravarty - Più di 20 anni fa Bednorz e Müller hanno scoperto la superconduttività ad alta temperatura nei materiali con ossidi di rame. Recentemente una serie di esperimenti sui cuprati in presenza di elevati campi magnetici ha completamente cambiato il quadro delle ricerche sui superconduttori ad alta temperatura ((HTS). I dati sperimentali suggeriscono che i portatori di corrente sono insieme elettroni e buchi e, quando il materiale è drogato in buchi, i portatori di carica dovrebbero essere di carica positiva. I fisici non sono riusciti a decidere come si comportano i cuprati. Essi partono come isolanti e diventano superconduttori quando sono drogati con altri portatori di corrente. Quando viene applicato un campo magnetico, i livelli occupati oltre quello di Fermi si spostano e periodicamente ritornano indietro creando delle oscillazioni della resistenza di Hall e mostrando l’esistenza di gruppi di elettroni e buchi che deforma il livello di Fermi. Questo potrebbe essere la chiave per comprendere il comportamento dei materiali HTS.

Science, 29 Feb 2008, Vol. 319, pg. 1180 - Adrian Cho - Nel 1995 gli sperimentatori hanno raggiunto le temperature più basse ottenute in fisica atomica. Usando laser e campi elettromagnetici, hanno raffreddato insiemi di certi atomi, noti come bosoni a circa un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto ottenendo un gas con nuove bizzarre proprietà noto come Bose-Einstein condensate (BEC), predetto già 70 anni fa e che ha fruttato il Nobel ai suoi scopritori nel 2001. Nel 2004 i fisici, con un accorgimento hanno portato altri atomi, noti come fermioni, a comportarsi come elettroni nei superconduttori che generano coppie e si muovono senza resistenza. Questo ha costituito un condensato di Fermi molto più strano che può aprire nuove possibilità alla ricerca. Ora, dopo 4 anni, il condensato di Fermi ha superato le aspettative. BEC è stato usato per creare laser atomici e fermare la luce, ma il condensato di Fermi può essere ancora più utile. Dai BEC è venuta la tecnica ed i metodi per creare fermioni. Come le coppie di elettroni nei superconduttori che fluiscono senza resistenza, coppie di atomi formano un superfluido e costituiscono un’altra forma di materia come la zuppa di particelle fondamentali detta plasma di quark-gluoni che riempiva l’universo primitivo e che è stato ricreato nei collisori di particelle. Gli esperimenti sui fermioni ultrafreddi possono anche svelare il mistero della superconduttività ad alta temperatura ed è una prospettiva interessante. Gli atomi possono riunirsi o restare isolati in dipendenza del loro spin e questo dipende da quanti protoni, neutroni ed elettroni posseggono. Se un atomo è composto da un numero pari di parti, lo spin è un multiplo della costante di Planck e questo ne fa un bosone. Un qualsiasi numero di bosoni può posizionarsi in un solo stato quantico così, quando i fisici hanno raffreddato un gas di rubidio -87 sotto un milionesimo di kelvin, gli atomi si sono posizionati tutti sul più basso livello di energia formando un BEC superfluido. Gli atomi con un numero dispari di pari non sono gregari e sono detti fermioni perché possiedono un extra mezzo spin ed in questo caso non possono occupare lo stesso stato quantico e, portati a bassissima temperatura rimangono separati in una pila di livelli adiacenti. Anche i fermioni possono però formare dei superfluidi. Gli elettroni, che sono fermioni hanno due stati quantici, uno per lo spin up e l’altro per lo spin down, ma i due spin possono attrarsi e, a bassa temperatura, formano delle coppie di Cooper, non avendo sufficiente energia termica per dividersi, e sono responsabili della superconduttività a bassa temperatura. I fisici possono riprodurre queste coppie con atomi fermioni aventi spin opposti facendone dei superfluidi. Per questo si applica un campo magnetico che produce una risonanza di Feshbach aumentando l’interazione fra gli atomi. Nel novembre del 2003, Rudolf Grimm dell’università di Innsbruck, Austria, ed i suoi colleghi formarono molecole diatomiche di litio-6 creando un BEC. Tre mesi dopo Deborah Jin ed il suo team del NIST, all’università del Colorado, regolando il campo magnetico crearono delle coppie di Cooper di potassio-40 che formavano un condensato di Fermi superfluido. Questo non era come un ordinario superconduttore, ma più simile ad un superconduttore ad alta temperatura e gli atomi si attraevano con tale forza che, se questo si verificasse con gli elettroni, si avrebbe un superconduttore funzionante a migliaia di gradi. I ricercatori hanno variato il rapporto fra gli atomi con gli spin nelle due direzioni e questo da un’idea di quanto succede al centro delle stelle di neutroni che contengono proporzioni diversi di quark che sono pure fermioni. Nel dicembre 2005 un team descrisse come la superfluidità del litio-6 svaniva quando il rapporto fra atomi con spin up e down superava 85/15. Altri trovarono valori diversi. Secondo la teoria, a bassa temperatura il condensato di Fermi si separa in una parte con spin accoppiati ed un’altra con rapporti di spin elevati al di sotto di un punto triplo. La forza di attrazione fra le coppie di fermioni è simile a quella che agisce nel plasma quark-gluoni e fra gli elettroni di un superconduttore ad alta temperatura. Una nube atomica di fermioni e quasi un liquido perfetto senza viscosità ed i comportamenti sono simili a quelli del plasma e della materia nucleare ultradensa nelle stelle di neutroni. Il maggiore interesse sta nel cercare di spiegare i superconduttori ad alta temperatura rimasti misteriosi da 20 anni. La struttura di questi superconduttori contiene piani di atomi di rame ed ossigeno disposti in quadrati. Gli elettroni saltano da un atomo di rame all’altro formando delle coppie che interagiscono fra gli spin ed il campo magnetico, noto come modello Fermi-Hubbard, semplice da descrivere, ma toppo complesso da risolvere anche con i migliori computer. I fisici sperano di simulare il modello di Hubbard mediante gli atomi superfreddi, ma mentre il condensato di Fermi si ottiene raffreddando gli atomi a pochi miliardesimi di kelvin, per simulare il modello di Hubbard si deve arrivare a pochi trilionesimi di kelvin.

Science, 16 May 2008, Vol. 320, pg. 870 - Adrian Cho - Ventidue anni fa, nel 1986, sperimentatori tedeschi e svizzeri scoprirono un composto di lantanio, bario e d ossido di rame che conduceva l’elettricità senza resistenza a 36 kelvin, 12 gradi sopra i normali superconduttori. La scoperta suscitò una gara fino a trovare altri composti cuprati con temperature critiche più alte e si guadagnò un premio Nobel. Sembra che ora la storia si ripete perché negli ultimi 5 mesi ricercatori in Giappone e Cina hanno trovato una nuova famiglia di superconduttori ad alta temperatura dove al posto del rame ed ossigeno si trova ferro ed arsenico, ma con una temperatura critica di 55 kelvin invece dei 138 dei cuprati. I ricercatori si interrogano però se i nuovi materiali funzionano sugli stessi principi dei vecchi. Dopo 20 anni di dibattiti i fisici infatti non si accordano su come gli elettroni si comportano in modo così magico a temperature così alte. La superconduttività ad alta temperatura è per i fisici un profondo mistero della materia solida e sperano che, confrontando i comportamenti comuni dei nuovi materiali, si possa comprendere il loro funzionamento. La nuova famiglia è molto simile ai cuprati, ma il meccanismo di funzionamento potrebbe non essere lo stesso. Gli elettroni, passando in un conduttore perdono energia perché rimbalzano sugli ioni del cristallo che vibrano, ma possono evitare questo formando delle coppie. In questo caso, deflettere un elettrone richiede di spezzare la coppia ed a bassa temperatura non c’è sufficiente energia. Anche per formare un coppia è necessaria dell’energia perché due elettroni si respingono. Nel 1957 Cooper e Schrieffer mostrarono che nei superconduttori convenzionali come il niobio portato a 9,3 kelvin, le vibrazioni che si propagavano fra gli ioni carichi attraevano a coppie gli elettroni. Quando un elettrone si muove crea una vibrazione che trascina il secondo elettrone. Queste vibrazioni non sono però in grado di produrre un’attrazione così forte necessaria alla temperatura di funzionamento dei cuprati. In un superconduttore a cuprati esiste un piano di atomi di rame ed ossigeno lungo i quali gli elettroni possono scivolare come coppie di danzatori. Il materiale ha potenzialmente un elettrone mobile per ogni ione di rame. Per ottenere la superconduttività si droga il materiale con atomi di ossigeno extra che interagiscono nei piani rame-ossigeno ed in qualche modo gli elettroni formano delle coppie. Molti fisici credono che la formazioni di coppie avvenga per le proprietà degli elettroni stessi. Per esempio gli elettroni agiscono come piccoli magneti e gli ioni vicini di rame si orientano in direzione opposte come nei materiali antiferromagnetici. Anche nel nuovo materiale ferro-arsenico gli atomi di ferro vicini sono orientati in direzione opposte, ma i fisici non concordano sul modo con cui le coppie di elettroni scivolano lungo questi piani. Cambiando il lantanio con altri elementi alcuni team di ricercatori cinesi hanno ottenuto temperature critiche maggiori. Vi sono anche importanti differenze fra i vecchi ed i nuovi materiali. La presenza di ferro tende a favorire un comportamento ferromagnetico con gli elementi magnetici allineati incompatibile con la superconduttività che respinge il campo magnetico, questo significa che la superconduttività emerge anche in contesti diversi e ci vogliono ancora maggiori informazioni per decifrare il funzionamento. L’apparizione del nuovo materiale ha in ogni modo rivitalizzato l’indagine che si era troppo fossilizzata con i cuprati.

Science, 24 Apr 2009, Vol. 324, pg. 452 - Adrian Cho - Un anno fa i fisici hanno scoperto una nuova famiglia di superconduttori ad alta temperatura ed immediatamente i ricercatori si sono chiesti se i nuovi composti, che contengono piani di ferro ed arsenico, funzionano nello stesso modo degli altri che hanno strati di rame e ossigeno e sono detti cuprati. Di questi non si è riusciti a trovare una spiegazione del loro comportamento fin dalla loro scoperta nel 1986. I nuovi dati suggeriscono che il drogaggio con impurità, essenziale in tutti i semiconduttori, gioca un ruolo diverso in ciascuna delle due famiglie. Nei cuprati il drogaggio produce la superconduttività modificando il numero degli elettroni che sono i portatori di carica nei piani rame-ossigeno. Nei composti ferro-arsenico invece, il drogaggio induce la superconduttività alterando la struttura del cristallo. In un cuprato come l’ossido di rame e il lantanio drogato con stronzio, gli atomi di lantanio si trovano fra gli strati di rame ed ossigeno e, quando qualche atomo di stronzio sostituisce uno di lantanio, si introducono nuovi elettroni che favoriscono la formazione di coppie, un modo non ancora compreso, e questo induce la superconduttività. Sembra che le cose funzionano in modo simile per i superconduttori a base di ferro. Per esempio l’arsenite di ferro e stronzio è un metallo ordinario. Sostituendo lo stronzio con il potassio compare la superconduttività sotto i 38 kelvin, però questo non avviene necessariamente perché cambia il numero degli elettroni. Infatti lasciando solo lo stronzio e sostituendo alcuni atomi di ferro con il cobalto, un atomo di quasi le stesse dimensioni, ma avente legami più deboli con gli elettroni, anche questo drogaggio induce la superconduttività a 20 kelvin. Questo significa che nei superconduttori con ferro ed arsenico il fatto critico è il cambiamento di struttura che avviene a temperatura superiore a quella di transizione, inoltre le file adiacenti di atomi di ferro si magnetizzano in direzione opposta, una configurazione di antiferromagnetismo che sparisce con il drogaggio e produce la superconduttività.