Materiali super- conduttori, nuovo studio chiarisce il meccanismo. Intervista ad uno dei ricercatori

Treno sperimentale a levitazione magnetica

Il sogno dei ricercatori di tutto il mondo è di scoprire e realizzare materiali superconduttori a una temperatura prossima a quella ambiente. Oggi un team internazionale di ricercatori ha pubblicato su Nature Communications i risultati di uno studio sulla superconduttività ad alta temperatura, che potrebbe portare in futuro a comprendere meglio questo fenomeno e a nuove applicazioni tecniche.

I materiali superconduttori troverebbero innumerevoli applicazioni, dal trasporto di corrente elettrica senza sprechi di energia ai treni superveloci a levitazione magnetica, alle tecniche di risonanza magnetica per scopi diagnostici in campo medico, fino ai supercomputer di nuova generazione. Per non parlare della fusione nucleare controllata.

Abbiamo intervistato in esclusiva su Gaianews.it uno dei ricercatori che hanno contribuito a questa ricerca, Massimo Capone del gruppo di ricerca Sissa-Democritos.

Intervista

Domanda: Cosa sono in breve i materiali superconduttivi e perché sono tanto importanti?

I superconduttori sono materiali che, raffreddati al di sotto di una certa temperatura – diversa per ogni materiale – permettono il passaggio di corrente elettrica senza alcuna dissipazione di energia in forma di calore. Questi materiali presentano altre proprietà peculiari, tra cui la più spettacolare ed importante è la capacità di espellere i campi magnetici, rendendo possibile la levitazione magnetica, principio su cui si basa il funzionamento di speciali treni che “fluttuano” al di sopra delle rotaie. Vale la pena ricordare che nel 2011 ricorre il centenario della scoperta della superconduttività da parte del fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes.

D. Qual è il problema dei superconduttori? quali sono oggi i più grossi ostacoli realizzativi?

Il principale problema è che la temperatura sotto cui si manifesta la superconduttività è estremamente bassa. Nei superconduttori tradizionali questa è vicina allo zero assoluto (-273 gradi centigradi) rendendo questi materiali di scarso interesse pratico. Ad esempio il mercurio, in cui Kamerlingh Onnes scoprì la superconduttiività ha una temperatura critica di -269 gradi.

Venticinque anni fa si è entrati in una nuova era grazie alla scoperta di nuovi superconduttori definiti con un po’ di coraggio “ad alta temperatura”. In questi materiali la superconduttività si manifesta a temperature comunque molto basse (fino a circa 139 gradi sotto zero), ma che possono essere raggiunte in modo semplice in un laboratorio grazie all’utilizzo dell’azoto liquido. A differenza dei superconduttori tradizionali, descritti da una teoria dovuta a Bardeen Cooper e Schrieffer, le proprietà dei superconduttori ad alta temperatura non sono ancora completamente comprese ed in particolare non conosciamo una “ricetta” per aumentare la temperatura critica. E’ superfluo sottolineare che raggiungere la superconduttività a temperatura ambiente rivoluzionerebbe la tecnologia ed in ultima istanza la società permettendo il trasporto di corrente elettrica senza dissipazione senza dover raffreddare il sistema.

D. La vostra scoperta, pubblicata su Nature Communications, in cosa consiste? Cosa cambia da oggi?

La nostra ricerca ha carattere teorico, e la nostra prospettiva generale è comprendere il meccanismo alla base della superconduttività ad alta temperatura critica. Nel lavoro appena pubblicato su Nature Communications abbiamo studiato un superconduttore basato sul ferro, dalla formula chimica LaFeAsO ed abbiamo scoperto che questo materiale è vicino a quello che i fisici chiamano un punto tricritico quantistico, ossia una speciale condizione in cui tre diverse fasi della materia (nel nostro caso fasi magnetiche e metalliche) diventano indistinguibili.

Punti tricritici sono presenti anche in sistemi molto più familiari, come l’acqua portata a specifici valori di temperatura e pressione (in questo caso le tre fasi sono liquido, solido e vapore), ma in generale è molto difficile che un sistema si trovi in queste condizioni a temperatura nulla (ossia allo zero assoluto). Il fatto che un superconduttore ad alta temperatura si trovi vicino ad un simile fenomeno suggerisce una relazione importante tra la criticità quantistica e la superconduttività che potrebbe aprire una porta verso l’aumento della temperatura critica.

D. Cosa aspettarsi nel futuro? La fusione nucleare controllata? Treni superveloci? Cos’altro?

Materiali superconduttori vengono usati già oggi in molti campi: conduzione elettrica, applicazioni mediche, elettronica e, naturalmente i treni a levitazione a cui abbiamo già accennato. Gli acceleratori di particelle, come il celeberrimo LHC del CERN utilizzano superconduttori, che risultano utili anche per produrre forti campi magnetici o per realizzare dispositivi ultrasensibili. Tutte queste applicazioni oggi sono limitate dalla necessità di raffreddare i materiali a temperature estremamente basse. Questo allontana i superconduttori dalla vita di ogni giorno e li relega nei laboratori o in strutture ad altissimo costo. Se potessimo evitare il raffreddamento tutte queste applicazioni diverrebbero accessibili a costi ridottissimi, rivoluzionando in primis l’approvvigionamento energetico riducendo drasticamente il suo impatto ambientale, ma anche il sistema dei trasporti e l’elettronica.

D. Qual è stato il suo ruolo nella ricerca? Come era comporto il team internazionale di ricerca?

La mia attività di ricerca ha come obbiettivo la comprensione del meccanismo che porta alla superconduttività ad alta temperatura. Una delle più forti anomalie del superconduttori ad alta tempatura è che, presi a temperatura superiore alla temperatura critica, non sono affatto buoni conduttori. In altre parole i migliori superconduttori si trasformano in pessimi metalli se scaldati, mentre i superconduttori peggiori diventano ottimi metalli.

Questa sorprendente osservazione è il cardine della mia ricerca teorica. Uno dei principali contributi, oltre a quello di cui abbiamo già parlato, è stato comprendere in che modo un cattivo conduttore può diventare un ottimo superconduttore nel caso specifico di composti formati da una serie di molecole di fullerene, un “pallone da calcio” composto da 60 atomi di carbonio. Grazie ad un finanziamento del Consiglio Europeo della Ricerca (European Research Council) ho potuto formare un gruppo con altri tre giovani ricercatori, tra cui Gianluca Giovannetti, primo autore del lavoro pubblicato su Nature Communications, e rafforzare le collaborazioni nazionali ed internazionali. Tra le prime un ruolo centrale ha l’asse tra Trieste e Roma, su cui si è sviluppato l’articolo di cui abbiamo già parlato ed anche l’attività sul fullerene. A livello internazionale il mio gruppo collabora con i principali gruppi internazionali tra cui il gruppo del Prof. Gabriel Kotliar nell’Università di Rutgers in New Jersey e quello del Prof. A. Georges al College de France e all’Ecole Politechnique di Parigi. Mi fa piacere ricordare le collaborazioni con altri giovani ricercatori italiani all’estero come Luca de’ Medici (Orsay), Giorgio Sangiovanni e Alessandro Toschi (Vienna) e Marco Schirò (Princeton).