Primato nazionale nelle nanoscienze: scoperto il diodo termico

Simbolo del diodo termico

Pisa, 04 apr – Ricercatori dell’Istituto Nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Nano) hanno sviluppato un dispositivo in grado far fluire le correnti di calore in una sola direzione, realizzando l’omologo del diodo elettrico. La ricerca, pubblicata su Nature Nanotechnology, è il primo mattone di potenziali circuiti elettronici alimentati dal calore anziché dall’elettricità.

Uno dei mattoni fondamentali dell’elettronica, il diodo, ha quindi ora un equivalente termico, grazie alla collaborazione tra gli scienziati del Cnr-Nano di Pisa e quelli della Scuola Normale Superiore, che ha sede nella stessa città toscana.

I ricercatori studiano da tempo la possibilità di controllare il calore analogamente alla corrente elettrica: si potrebbe immaginare, ad esempio, un computer costituito da un materiale in grado di trasmettere calore dall’interno verso l’esterno e di bloccarlo nel verso opposto, permettendo al sistema di raffreddarsi con estrema efficienza. Ora un simile effetto è stato ottenuto, a basse temperature, in un dispositivo basato su metalli e superconduttori, da Francesco Giazotto, Maria José Martínez-Pérez e Antonio Fornieri dei laboratori Nest di CnrNano e Scuola Normale. Lo studio – dal titolo “Rectification of electronic heat current by a hybrid thermal diode” è pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Nanotechnology.

“A temperature prossime allo zero assoluto, circa -273°C [273 gradi sotto zero, ndt], il calore è trasmesso principalmente dagli elettroni anziché dalle vibrazioni del reticolo cristallino e quindi ‘governando’ gli elettroni si può controllare il flusso di calore”, spiega Giazotto. “È quanto siamo riusciti a fare nel nostro circuito, in cui le correnti di calore scorrono preferenzialmente in un verso, ottenendo così un diodo termico, così chiamato in analogia al diodo elettrico dove la corrente viaggia ‘a senso unico’”.

Immagine nanometrica d un diodo termico

Il cuore del diodo è composto da un elettrodo di materiale superconduttore combinato con un metallo che agisce come via di fuga termica. “A temperature criogeniche, il dispositivo trasmette calore quando una delle sue estremità viene scaldata, mentre disperde la maggior parte dell’energia termica attraverso la via di fuga quando è scaldato l’estremo opposto”, continua il ricercatore di Cnr-Nano. “Le misure mostrano che la corrente in un senso è 100 volte superiore a quella che fluisce in senso opposto: un’efficienza elevata, considerato che fino ad oggi il valore massimo era circa 1.4, ottenuto in sistemi di altro tipo a temperature maggiori”.

Il risultato si aggiunge ai precedenti ottenuti dal gruppo di Caloritronica coerente guidato da Giazotto, che conclude: “Il diodo termico è il primo mattone per creare circuiti caloritronici, l’equivalente termico dei circuiti logici elettronici, in cui l’informazione viene scambiata attraverso trasferimenti di calore invece che da segnali elettrici”.

Il diodo termico, come si è scritto, è composto anche da un elettrodo superconduttore. Cosa sono i materiali superconduttori e cos’è la superconduttività?

I superconduttori sono particolari materiali che, se raffreddati fino a temperature molto basse, e comunque al di sotto di una temperatura T_c, detta temperatura critica e caratteristica di ogni materiale, vedono bruscamente annullarsi la loro resistività elettrica.

Il fenomeno, scoperto nel 1911 da H. Kamerlingh Onnes, consiste in un brusco abbassamento della resistività elettrica di alcuni materiali (p. es. titanio, vanadio, niobio, stagno, niobio-alluminio, niobio-stagno, ecc.), detti perciò superconduttori, che ha luogo a temperature vicine allo zero assoluto.

Una corrente elettrica immessa in una spira superconduttrice scorre praticamente all’infinito e senza produrre calore. Un superconduttore può trasportare grandi quantità di corrente elettrica senza dissipare energia sotto forma di calore e una corrente elettrica immessa in un anello superconduttore può circolare per molti anni senza alcuna misurabile dissipazione.

Rappresentazione schematica del processo di superconduttività: distorsione del reticolo cristallino e formazione della coppia elettronica di Cooper

Alla base di questo straordinario fenomeno vi è un processo quantistico che consente agli elettroni che trasportano la corrente di muoversi tutti insieme (a coppie elettrone-elettrone: le coppie di Cooper) come se fossero una unica “macroentità”. Ogni coppia di Cooper può essere trattata come una singola particella con massa e carica pari al doppio di quella di un elettrone.

La superconduttività fu scoperta da H.K. Onnes nel mercurio nel 1911. Solo nel 1957 J. Bardeen, L.N. Cooper e J.R. Schrieffer riuscirono a formulare una teoria microscopica della superconduttività, basata sulla meccanica quantistica. Secondo tale teoria il moto di un elettrone di conduzione distorce leggermente il reticolo cristallino, facendo avvicinare gli ioni positivi più vicini al suo passaggio. Questa sovradensità di ioni positivi causa l’ attrazione di un altro elettrone, e il risultato netto è una forza attrattiva tra elettroni, quindi la creazione di coppie di elettroni debolmente legati che si muovono insieme senza scambiare energia col reticolo.

Francesco Meneguzzo