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Roma, 20 set – Un team internazionale coordinato dagli scienziati italiani Gaetano Campi dell’Istituto di cristallografia del Consiglio nazionale delle ricerche (Ic-Cnr), Antonio Bianconi del Centro internazionale di scienze della materia di Roma (Ricmass) e Alessandro Ricci del Sincrotrone di Amburgo (Desy), ha svelato la particolare geometria alla base del fenomeno macroscopico della superconduttività alle alte temperature che caratterizza una determinata classe di materiali.
La ricerca, pubblicata sulla più prestigiosa delle riviste scientifiche internazionali, Nature, col titolo (tradotto in italiano) “Inomogeneità nell’ordine della densità di carica nelle onde e disordine attenuato nei superconduttori ad alte temperature”, aggiunge un importante tassello al mosaico delle nostre conoscenze sulla natura infinitesimale della materia.
È stato dimostrato infatti che la superconduttività, caratteristica di una determinata classe di materiali, potrebbe emergere dalla particolare configurazione spaziale assunta dagli elettroni, capace di generare geometrie non euclidee a livello nanoscopico e mesoscopico (la dimensione intermedia tra mondo atomico e mondo macroscopico).
“La superconduttività è un fenomeno spettacolare della materia quantistica che caratterizza alcuni materiali nel mondo macroscopico. I superconduttori, espellendo completamente o in parte i campi magnetici al loro interno, a temperature che tendono allo zero assoluto, assumono resistenza nulla al passaggio di corrente elettrica”, spiega Gaetano Campi dell’Ic-Cnr. “Un problema fonte di molte controversie tra gli scienziati è però la presenza di una classe di materiali in cui la superconduttività si manifesta ad alte temperature”.
Perché è importante la superconduttività? Poter trasmettere elettricità senza perdite, grazie alla resistenza nulla, consentirebbe di risparmiare grandi quantità di energia e – forse ancora più importante – di poter immagazzinare per tempi indefiniti la stessa energia elettrica in circuiti superconduttori. Tuttavia, finché questo straordinario fenomeno è disponibile solo a bassissime temperature, prossime allo zero assoluto (-273,15 gradi), il costo energetico del raffreddamento ne rende improponibile l’uso nei sistemi civili e industriali. La sfida è quindi realizzare dispositivi superconduttori a temperature molto più elevate e, idealmente, a temperatura ambiente. Per queste e altre ragioni, la ricerca guidata dagli scienziati italiani assume un’importanza straordinaria.
Il team ha acquisito informazioni decisive per risolvere il problema studiando – grazie all’utilizzo di fasci di radiazioni X e di avanzati sistemi ottici nei sincrotroni di Trieste e Grenoble e a metodi analitico-computazionali di ‘big data set‘ messi a punto nell’Istituto di cristallografia Cnr – la struttura atomica, nanoscopica e mesoscopica di un cristallo di cuprato di mercurio (superconduttore a temperature minori di 95 °K, cioè -178,5 °C, ma considerate ‘alte’ rispetto allo zero assoluto -273,15°C) che, analizzato con sistemi tradizionali, sembrava possedere caratteristiche cristallografiche normali.
“Nel cuprato di mercurio – prosegue Campi – si è visto che gli elettroni formano cristalli (detti Charge Density Waves, CDW) a temperature minori di -240°C, così come le molecole di acqua formano ghiaccio a temperature sotto i zero gradi centigradi. Ma a differenza della struttura del ghiaccio, che è omogenea in condizioni normali, la distribuzione irregolare dei cristalli di elettroni lascia liberi spazi in cui compaiono geometrie non euclidee. Gli elettroni che rimangono liberi, a basse temperature, si organizzano invece in coppie (coppie di Cooper) che scorrono negli interstizi venutisi a creare tra i cristalli elettronici (CDW)”.
Secondo gli autori dello studio, sarebbe proprio questa peculiare distribuzione spaziale non euclidea delle particelle su scala nanoscopica e mesoscopica la causa del fenomeno della superconduttività ad alte temperature osservata a livello macroscopico. “Questa scoperta, oltre a gettare una nuova luce su un nuovo stato di aggregazione della materia, aprirà nuove vie nel campo della progettazione di materiali superconduttivi”, conclude Campi.
In realtà, questo filone di ricerca può essere in prospettiva straordinariamente importante anche per un’altra ragione: supponiamo di poter dislocare ad arte i cristalli elettronici in certi materiali, in modo da attivare le onde di densità di carica. Ebbene, in quel caso si potrebbe ottenere una corrente elettrica senza perdite generata in base a uno stimolo meccanico molto fine e soprattutto con efficienza prossima al 100% o comunque molto più elevata rispetto alle usuali efficienze di conversione da qualsiasi tipo di energia in ingresso all’elettricità in uscita (mai superiore al 60% e rapidamente decrescente alle basse energie).
Francesco Meneguzzo
Coppie superconduttrici (coppie elettroniche di Cooper, in verde e rosso) che viaggiano nello spazio interstiziale tra aggregazioni di cristalli elettronici (bolle gialle) – fonte: RICMASS)
Roma, 20 set – Un team internazionale coordinato dagli scienziati italiani Gaetano Campi dell’Istituto di cristallografia del Consiglio nazionale delle ricerche (Ic-Cnr), Antonio Bianconi del Centro internazionale di scienze della materia di Roma (Ricmass) e Alessandro Ricci del Sincrotrone di Amburgo (Desy), ha svelato la particolare geometria alla base del fenomeno macroscopico della superconduttività alle alte temperature che caratterizza una determinata classe di materiali.
La ricerca, pubblicata sulla più prestigiosa delle riviste scientifiche internazionali, Nature, col titolo (tradotto in italiano) “Inomogeneità nell’ordine della densità di carica nelle onde e disordine attenuato nei superconduttori ad alte temperature”, aggiunge un importante tassello al mosaico delle nostre conoscenze sulla natura infinitesimale della materia.
È stato dimostrato infatti che la superconduttività, caratteristica di una determinata classe di materiali, potrebbe emergere dalla particolare configurazione spaziale assunta dagli elettroni, capace di generare geometrie non euclidee a livello nanoscopico e mesoscopico (la dimensione intermedia tra mondo atomico e mondo macroscopico).
“La superconduttività è un fenomeno spettacolare della materia quantistica che caratterizza alcuni materiali nel mondo macroscopico. I superconduttori, espellendo completamente o in parte i campi magnetici al loro interno, a temperature che tendono allo zero assoluto, assumono resistenza nulla al passaggio di corrente elettrica”, spiega Gaetano Campi dell’Ic-Cnr. “Un problema fonte di molte controversie tra gli scienziati è però la presenza di una classe di materiali in cui la superconduttività si manifesta ad alte temperature”.
Perché è importante la superconduttività? Poter trasmettere elettricità senza perdite, grazie alla resistenza nulla, consentirebbe di risparmiare grandi quantità di energia e – forse ancora più importante – di poter immagazzinare per tempi indefiniti la stessa energia elettrica in circuiti superconduttori. Tuttavia, finché questo straordinario fenomeno è disponibile solo a bassissime temperature, prossime allo zero assoluto (-273,15 gradi), il costo energetico del raffreddamento ne rende improponibile l’uso nei sistemi civili e industriali. La sfida è quindi realizzare dispositivi superconduttori a temperature molto più elevate e, idealmente, a temperatura ambiente. Per queste e altre ragioni, la ricerca guidata dagli scienziati italiani assume un’importanza straordinaria.
Il team ha acquisito informazioni decisive per risolvere il problema studiando – grazie all’utilizzo di fasci di radiazioni X e di avanzati sistemi ottici nei sincrotroni di Trieste e Grenoble e a metodi analitico-computazionali di ‘big data set‘ messi a punto nell’Istituto di cristallografia Cnr – la struttura atomica, nanoscopica e mesoscopica di un cristallo di cuprato di mercurio (superconduttore a temperature minori di 95 °K, cioè -178,5 °C, ma considerate ‘alte’ rispetto allo zero assoluto -273,15°C) che, analizzato con sistemi tradizionali, sembrava possedere caratteristiche cristallografiche normali.
Meccanismo di formazione delle coppie di Cooper – elettroni superconduttori
“Nel cuprato di mercurio – prosegue Campi – si è visto che gli elettroni formano cristalli (detti Charge Density Waves, CDW) a temperature minori di -240°C, così come le molecole di acqua formano ghiaccio a temperature sotto i zero gradi centigradi. Ma a differenza della struttura del ghiaccio, che è omogenea in condizioni normali, la distribuzione irregolare dei cristalli di elettroni lascia liberi spazi in cui compaiono geometrie non euclidee. Gli elettroni che rimangono liberi, a basse temperature, si organizzano invece in coppie (coppie di Cooper) che scorrono negli interstizi venutisi a creare tra i cristalli elettronici (CDW)”.
Secondo gli autori dello studio, sarebbe proprio questa peculiare distribuzione spaziale non euclidea delle particelle su scala nanoscopica e mesoscopica la causa del fenomeno della superconduttività ad alte temperature osservata a livello macroscopico. “Questa scoperta, oltre a gettare una nuova luce su un nuovo stato di aggregazione della materia, aprirà nuove vie nel campo della progettazione di materiali superconduttivi”, conclude Campi.
In realtà, questo filone di ricerca può essere in prospettiva straordinariamente importante anche per un’altra ragione: supponiamo di poter dislocare ad arte i cristalli elettronici in certi materiali, in modo da attivare le onde di densità di carica. Ebbene, in quel caso si potrebbe ottenere una corrente elettrica senza perdite generata in base a uno stimolo meccanico molto fine e soprattutto con efficienza prossima al 100% o comunque molto più elevata rispetto alle usuali efficienze di conversione da qualsiasi tipo di energia in ingresso all’elettricità in uscita (mai superiore al 60% e rapidamente decrescente alle basse energie).
Francesco Meneguzzo
