Un superconduttore a temperatura ambiente in grado di trasportare l’elettricità prodotta da impianti solari nel Sahara ai quattro angoli del mondo, senza alcuna dissipazione di energia. Potrebbe essere solo una delle ricadute della scoperta del fisico Claudio Giannetti della sede di Brescia dell’Università Cattolica, che ha portato alla luce uno dei meccanismi fondamentali alla base della superconduttività ad alta temperatura. Questa scoperta, pubblicata nell’ultima edizione della rivista Science, è stata possibile grazie alla combinazione delle tecniche sperimentali innovative sviluppate in Italia, nei laboratori di via Musei della Cattolica, in collaborazione con T-Rex della Sincrotone Trieste e Università degli studi della città giuliana, e degli esperimenti svolti in Svizzera, Canada e Stati Uniti. «I nuovi risultati - spiega Giannetti che ha lavorato allo studio con i colleghi Gabriele Ferrini e Francesco Banfi (nella foto) - dimostrano che gli elettroni negli ossidi di rame sono legati in coppie non attraverso delle deformazioni del reticolo ma attraverso delle fluttuazioni della polarizzazione magnetica. Se si arrivasse a ottimizzare e ingegnerizzare questo meccanismo si troverebbe forse la strada che porta alla superconduttività a temperatura ambiente».
Cosa si intende per superconduttività?
Se una corrente elettrica passa attraverso un filo di rame, questo si riscalda un po’ e l’energia è dissipata sotto forma di calore. La superconduttività è quel sorprendente fenomeno che permette a una corrente elettrica di scorrere senza perdite di energia. In un superconduttore come il piombo queste dissipazioni sono esattamente uguali a zero, ma a una temperatura di meno 269 gradi Celsius. Scoperta nel 1911 da Kamerlingh Onnes, la superconduttività è diventata man mano una risorsa cruciale per la tecnologia.
Possiamo fare qualche esempio?
Le apparecchiature di risonanza magnetica nucleare (Nmr) utilizzate nella maggior parte degli ospedali non potrebbero funzionare senza dei fili superconduttori. Il fenomeno della superconduttività è limitato solo a certi materiali e non si manifesta normalmente che a temperature prossime allo zero assoluto (-273 gradi Celsius). Una grande eccezione è data dagli ossidi di rame (i cuprati) scoperti da Georg Bednorz et Karl Alex Müller nel 1986, in cui la superconduttività è possibile fino a meno 120 gradi Celsius. Non esattamente caldo, ragion per cui la ricerca della superconduttività a temperatura ambiente continua ancora oggi.
Come è stata condotta finora?
Più o meno a caso fra le migliaia di composizioni stechiometriche possibili, utilizzando i 110 elementi conosciuti in natura. Una ricerca molto più mirata sarebbe possibile se si disponesse di un modello attendibile per spiegare il meccanismo della superconduttività ad alta temperatura. La teoria della superconduttività nei metalli convenzionali è stata pubblicata nel 1957 da Bardeen, Cooper e Schrieffer. Se si seguisse questa teoria alla lettera, i cuprati non potrebbero essere superconduttori.
Come funzionano i superconduttori?
La corrente elettrica è trasportata dagli elettroni, delle particelle ultraleggere che trasportano la carica elementare. Nei metalli convenzionali, come il rame, se ne trovano circa dieci mila miliardi di miliardi in un centimetro cubico. Ciò che rende speciale i superconduttori è che gli elettroni si organizzano formando delle coppie. Per tale motivo è necessario che ci sia una forza che leghi gli elettroni. Normalmente la situazione è opposta: due elettroni nel vuoto si respingono reciprocamente a causa della loro carica elettrica. L’interno di un materiale come il rame è molto differente dal vuoto. Infatti, secondo la teoria BCS, le oscillazioni del reticolo possono «incollare» gli elettroni in coppie. Al contrario dei singoli elettroni, le coppie di Cooper tendono tutte a seguire esattamente lo stesso cammino senza che alcuna collisione provochi la perdita di energia. Resta però da capire quale forza sia responsabile della superconduttività negli ossidi di rame e, soprattutto, perché in tali materiali questa forza sia così efficace da giustificare l’elevata temperatura critica.
E qui sta la vostra scoperta...
La nuova tecnica sperimentale, frutto di una collaborazione tra Italia, Svizzera, Canada e Stati Uniti e sperimentata nei neo-nati Interdisciplinary Laboratories for Advanced Materials Physics (i-LAMP) di Brescia, ha permesso di chiarire la natura di queste forze in grande dettaglio. Questo potrebbe avere ricadute tecnologiche importanti: sviluppare dispositivi elettronici che possono lavorare senza scaldarsi, trasportare corrente elettrica con efficienze mai raggiunte, risparmiando una notevole quantità di energia, produrre campi magnetici elevatissimi, indispensabili nel campo dei trasporti e delle tecniche diagnostiche mediche, come la risonanza magnetica nucleare.