Un libro al mese
Superconduttività
di Stephen Blundell
Codice
Isbn 8875783071
Suprageleider è il nome dato da Heike Kamerlingh Onnes, nel 1911, alla superconduttività, scoperta nel suo laboratorio di Leiden, il fenomeno per cui in alcuni materiali la corrente elettrica, in determinate condizioni, scorre senza alcuna resistenza (violando così la legge di Ohm). Il libro di Blundell ripercorre l’avvincente avventura che portò a scoprire questo particolare fenomeno della Natura attraverso non solo i fatti scientifici peculiari ma anche i caratteri dei personaggi che ne sono stati i principali protagonisti.
Dopo aver ripercorso alcuni fatti sperimentali – quali la liquefazione dell’elio alla temperatura (critica) Tc=4.2 K; la superconduttività del mercurio per temperature T < Tc; la perdita dello stato superconduttivo per effetto di un campo magnetico critico Hc, cui corrisponde una corrente critica Ic; l’espulsione del campo magnetico da un superconduttore (effetto Meissner) – Blundell pone in evidenza che si tentò di fornire una spiegazione del fenomeno attraverso la termodinamica, considerando che nessun’altra teoria allora nota (nemmeno l’emergente teoria dei quanti) consentiva di spiegarlo e pensando «ai superconduttori [come] a tutti gli effetti degli stati di equilibrio della materia». Si propose così un modello "a due fluidi", che ammettesse una corrente superconduttiva nel materiale per una temperatura T < Tc. Successivamente i fratelli London proposero un modello tale da estendere le equazioni di Maxwell alla superconduttività. Fritz London, inoltre, applicando i principi della meccanica quantistica, comprese che le funzioni d’onda ψ=|ψ|eiδ ( con |ψ| ampiezza e δ fase, non misurabile, dell’onda) degli elettroni superconduttivi sono tali che le fasi δ hanno tutte lo stesso valore. In tal modo si realizza per lo stato superconduttivo uno "stato stazionario", come se un superconduttore fosse un "atomo gigante" ovvero tale da presentare un fenomeno quantistico macroscopico. Tale parallelismo con l’atomo portò i London ad affermare che anche il flusso magnetico concatenato con un superconduttore deve essere quantizzato, ovvero multiplo di una quantità φ0 (quanto di flusso magnetico). Così nemmeno la superconduttività era esentata dalla discontinuità che pervade l’intera Natura.
La scoperta dell’effetto isotopico, ovvero che la temperatura di transizione, Tc, di un superconduttore dipende anche dalla sua struttura isotopica, aprì la strada alla teoria BCS (dal nome dei tre inventori Bardeen-Cooper-Schrieffer), pubblicata su Physical Review nel 1957, che spiegò in modo completo la superconduttività. Basandosi sulla Elettro-Dinamica-Quantistica (QED) di Richard Feynman, ampiamente utilizzata nel campo della fisica delle particelle, i tre ricercatori compresero che gli elettroni possono interagire con il reticolo cristallino e tale interazione può essere attrattiva mediante lo scambio di un fonone (inteso come una vibrazione reticolare quantizzata). Come osservò lo stesso Cooper, ciò produce, in determinate condizioni, l’esistenza di entità stabili di coppie di elettroni (battezzate coppie di Cooper) «interagenti l’uno con l’altro, con tutti gli altri elettroni [non interagenti e dunque non superconduttivi] "congelati" al loro posto nel cosiddetto "mare di Fermi"». La teoria consente anche di giustificare la presenza di un gap di energia nel superconduttore, che separa lo stato superconduttivo, costituito dalle coppie di Cooper, dallo stato normale, dove sono gli elettroni del mare di Fermi.
La teoria BCS emerge da tre menti brillanti, ma ciò che stupisce, come sottolinea l’autore del libro, è la figura di Bardeen, vincitore di due premi Nobel (egli fu infatti anche l’inventore del transistor) e, nonostante ciò, sconosciuto al grande pubblico. Egli, sottolinea l’autore, non aveva la personalità di un Einstein, un Fermi o di un Feynman ma assomigliava piuttosto a un direttore di banca, giocava a golf e conduceva una vita alquanto tranquilla.
Negli stessi anni, oltre la cortina di ferro, due fisici russi, Landau e Ginzburg, elaborarono una loro teoria per spiegare la superconduttività. Landau studiò fenomeni relativi a transizione di fase e le sue teorie affrontavano sempre concetti di simmetria, particolarmente utilizzati nella fisica moderna. Per Landau ogni transizione di fase comporta un fenomeno di rottura di simmetria, come succede per esempio quando un ferromagnete viene portato ad alta temperatura per cui esiste una temperatura critica, detto punto di Curie, dove il ferromagnetismo scompare. Applicando le sue conoscenze sulle transizioni di fase, Landau, con il suo più giovane collaboratore Ginzburg, lavorò per spiegare la superconduttività arrivando così a formulare una teoria nel 1950 (sette anni prima della teoria BCS), anche utilizzando idee prese da altri settori di fisica, come la "simmetria di gauge". Le due teorie, di Ginzbug-Landau (GL) e BCS, furono messe a confronto e benché diverse si capì che descrivevano brillantemente lo stesso fenomeno fisico. La teoria GL tuttavia si rivelava estremamente elegante perché associava la superconduttività alla rottura spontanea della simmetria, con cui l’effetto Meissner fu spiegato in modo alquanto originale. È proprio il fatto che la fase δ della funzione d’onda superconduttiva abbia un singolo valore rompendo così la simmetria a far sì che le forze elettromagnetiche, a lungo raggio di azione, diventino a corto raggio nel superconduttore.
Nel libro si legge: «L’equazione che descrive il campo magnetico in un superconduttore assomiglia all’equazione delle onde elettromagnetiche, scritta in modo tale da includere fotoni dotati di massa». L’autore cita anche idee sviluppate in seno alla superconduttività e che ebbero ricadute in altri settori della fisica, come quello del bosone di Higgs, non ancora scoperto quando il libro è stato scritto. Nel richiamare il parallelismo tra generazione di massa per rottura spontanea della simmetria (meccanismo di Higgs) e la superconduttività, l’autore afferma «in questo senso possiamo dire che l’Universo nel quale viviamo si comporti come un gigantesco superconduttore». Altro importante fenomeno connesso con la superconduttività è l’effetto Josephson, richiamato nel libro, previsto da un brillante dottorando di Bardeen (Brian Josephson), non compreso inizialmente nemmeno dallo stesso, che si stava occupando di superconduttività. Egli capì – seguendo la teoria GL e la teoria BCS – che due diversi superconduttori hanno funzioni d’onda elettroniche con fasi fisse, δ1 e δ2, ma diverse tra loro. Un contatto tra i due superconduttori, separati da un barriera non conduttiva (weak link) può portare a osservare la differenza di fase Δδ=δ1-δ2. Josephson, inoltre, capì che una corrente netta spontanea sarebbe dovuta scorrere, per effetto tunnel, tra i due superconduttori.
Alcune applicazioni della giunzione Josephson sono richiamate nel libro:
1) essa si può usare come un generatore di microonde, applicando una differenza di potenziale su di essa tale da creare una corrente alternata;
2) nota la frequenza di oscillazione di tale c.a. si è realizzato un nuovo campione standard di potenziale. il nuovo Volt standard si conosce così con una precisione di 1 parte su 1012 e ha sostituito il vecchio campione basato su una cella elettrochimica con cui il Volt era noto con una precisione di una parte su 106, portando così un miglioramento anche nella metrologia, la scienza della misura;
3) il collegamento in parallelo di due giunzioni Josephson ha permesso di realizzare lo SQUID (supeconductive quantum-interference device). Gli SQUID, quali sensori di campi magnetici di sensibilità straordinaria, sono usati in studi di attività neuronale del cervello, in microscopia e per rivelatori ad elevata risoluzione in energia. Essi consentono anche la misura del flusso del campo magnetico sino al valore prossimo al quanto di flusso φ0=h/(2e). Josephson vinse il premio Nobel nel 1973 (condiviso con Ivar Giaever e Leo Esaki).
Il testo presenta anche scoperte più recenti attraverso la ricerca su nuovi materiali, come i fullereni, che diventano superconduttori a temperature più elevate di quelle rilevate nei primi materiali studiati. Applicazioni della superconduttività si trovano oggi nei treni a levitazione magnetica, nella risonanza magnetica nucleare (RMN), nei magneti superconduttori del Large Hadron Collider (LHC) del CERN.
Il testo, infine, mette in rilievo che la superconduttività non può aver luogo con un singolo atomo ma si può verificare solo con un’aggregazione di atomi, come nella musica una sinfonia non può essere suonata da un singolo strumento, secondo il motto more is different sostenuto da quello che viene conosciuto come protettorato quantistico. Il libro si legge in modo scorrevole senza complessità matematiche. La fisica comunque viene descritta attraverso le storie che hanno caratterizzato i suoi stessi protagonisti soprattutto negli esperimenti condotti da Onnes e collaboratori e negli sviluppi teorici delle due teorie BCS e GL. Il libro offre sicuramente interessanti spunti di riflessione su quella che è una visione unitaria della scienza e della tecnologia facendo comprendere, proprio attraverso il tema della superconduttività, come ci siano legami e relazioni tra vari fenomeni della Natura e i vari settori scientifici e tecnologici delle diverse attività umane.
(febbraio SxT-libroalmese) // di Marco Capogni
