4. Superconduttori di tipo I e II

di Daniele Di Gioacchino

La temperatura e il campo magnetico hanno un effetto sulla fase superconduttiva, sono due variabili termodinamiche complementari che regolano lo stato superconduttore. La temperatura critica e il campo magnetico critico dipendono dal tipo di materiale.

Ora approfondiamo l’effetto del campo magnetico su un superconduttore. Sperimentalmente si evincono due comportamenti differenti.

Fig.5 Diagramma di fase Campo magnetico- Temperatura di un superconduttore di tipo I (A) e di tipo II (B)

Nei superconduttori denominati di tipo I (Fig.5A) sarà possibile con il campo magnetico e la temperatura effettuare una transizione netta dallo stato superconduttore a quello normale. Nello stato superconduttore sulla superficie del materiale scorrerà una supercorrente con un valore tale da produrre un contro campo magnetico identico in valore e opposto in direzione rispetto a quello applicato in modo tale che il suo interno sarà interdetto all’accesso del campo magnetico applicato (effetto Meissner). Al valore critico di campo magnetico (B_c) il materiale transirà nello stato normale e conseguentemente il campo magnetico accederà in tutto il materiale, questo valore dipenderà dalla temperatura e dal tipo di materiale. Avrà il valore massimo a T=0K e un valore nullo alla temperatura critica, T_c. Materiali che presentano questo tipo di superconduttività sono per esempio mercurio, alluminio, piombo, gallio, stagno e ……tanti altri, sono della classe dei superconduttori metallici. I valori di campo magnetico critico (B_c) sono bassi, dell’ordine delle decine di millitesla.

Nei superconduttori di tipo II (fig.5B) l’applicazione di un campo magnetico con ampiezze maggiori di un dato valore critico (B_c1) mostrerà un ulteriore configurazione, nel materiale entrà un “quanto” di flusso magnetico (o flussone) (teorizzato da Abrikosov nel 1952, nobel 2003) e inizierà nel materiale uno stato denominato “misto” dove coesisteranno sia lo stato superconduttore che quello normale (Fig.5). In questo caso, lo stato intermedio sarà formato da un reticolo di quanti di flusso magnetici che aumenteranno in numero con l’aumento del valore del campo magnetico applicato. Il cuore di tali flussoni è nello stato normale, intorno ad esso fluirà, come in un vortice, una supercorrente che formerà un contro campo magnetico il cui risultato localizzerà il campo magnetico penetrato nel materiale solo nel cuore del quanto di flusso.

Fig.6 A) Reticolo di quanti di flusso nel Niobio, B) schematizzazione del quanto di flusso, caratterizzato da un cuore normale dove è presente un campo magnetico di B=10^-15 Weber/m². Sono mostrate le due dimensioni caratteristiche di uno stato superconduttore, ξ e λ, rispettivamente lunghezza di coerenza superconduttiva e lunghezza di penetrazione magnetica, C) foto di un gorgo che ben rappresenta la zona esterna di un flussone dove scorre una supercorrente come in un vortice.

Per un valore critico (B_c2), il numero dei flussoni sarà tale che ogni cuore normale coprirà completamente l’intero volume del materiale ed esso transirà nello stato normale. Superconduttori metallici puri, tipo Niobio, Vanadio e tutti i superconduttori composti metallici e ceramici sono superconduttori di tipo II. Questi materiali presentano valori B_c1 piccoli dell’ordine di frazioni di millitesla e valori di B_c2 anche molto alti per esempio il Nb₃Ge ha il valore di 37 Tesla mentre nel superconduttore ceramico HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+x è altissimo vale 190 Tesla. E’ evidente che questi superconduttori hanno applicazioni tecnologiche maggiormente rilevanti rispetto a quelli di tipo I.

Si possono individuare sperimentalmente due dimensioni che definiscono il tipo di superconduttività, la prima chiamata “lunghezza di coerenza superconduttiva”, ξ, è la distanza che va dal centro del cuore normale del flussone e termina alla distanza media dove il materiale diventa superconduttivo, l’altra è la distanza media che dal centro del cuore normale del flussone arriva alla fine della penetrazione del campo magnetico nel supeconduttore chiamata “lunghezza di penetrazione magnetica di London”, λ. Il valore del rapporto fra queste due lunghezze, κ= λ/ξ, determinerà se un superconduttore è di tipo I (κ<1/√2) o tipo II (κ>1/√2). I valori di queste due lunghezze vanno da migliaia di nanometri a qualche nanometro.

Tutti i materiali che presentano la superconduttività hanno una resistività elettrica a temperatura ambiente molto più alta, ad esempio, dell’oro o dell’argento. Questi ultimi ottimi conduttori non presenteranno MAI la superconduttività. In generale nei superconduttori, peggiore è la conducibilità elettrica a temperatura ambiente maggiore è la temperaura critica.