I superconduttori che non disperdono energia

I superconduttori sono materiali che, se raffreddati fino a temperature molto basse, prossime allo zero assoluto vedono bruscamente annullarsi la resistenza elettrica.

Parliamo della colonnina di mercurio che si abbassa fino a meno 270 gradi. La scoperta della superconduttività si deve, siamo nel 1911, al fisico tedesco Heike Kamerlingh Onnes.

L’interesse della ricerca, e dell’industria, per i superconduttori è ormai all’ordine del giorni: i nuovi materiali non dissipano calore e quindi la potenzialità in termini di risparmio energetico è enorme.

In vari campi, dai macchinari più evoluti in medicina ai treni a levitazione magnetica ma anche nel semplice trasporto dell’energia elettrica via cavo.

Il problema è il notevole raffreddamento di cui necessitano per esprimere le proprietà che li rendono unici. In realtà, negli anni Ottanta, si è arrivati alla scoperta di una classe di superconduttori ad «alta temperatura» ovvero che devono essere raffreddati «solo» fino a meno 150 gradi. La scommessa della ricerca, oggi, anche se il traguardo è ancora lontano, è sintetizzare superconduttori a temperatura ambiente, ovvero farli funzionare a temperature «normali».

Premessa indispensabile è capire quali meccanismi fanno diventare alcuni materiali superconduttori ad «alta temperatura».

E su questo fronte un contributo importante lo sta dando una ricerca coordinata dalla Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali della Cattolica di Brescia, e da un fisico dell’ateneo Claudio Giannetti.

Che ha svolto il ruolo di coordinatore di un team di scienziati di diversi istituti di ricerca, dal Politecnico di Milano alla Sissa di Trieste, dall’Istituto Josef Stefan di Lubiana all’University of British Columbia. Ricerca che ha avuto l’onore, di essere pubblicata, all’inizio di marzo, su Nature Physics, una sorta di Bibbia per fisici e studiosi di fisica. Il team ha applicato una sofisticata tecnica sperimentale, simile a una moviola, per osservare, rallentandolo, le interazioni tra gli elettroni dei superconduttori.

Giannetti ci spiega come funziona questa sorta di moviola tecnologicamente avanzatissima, nel laboratorio della sede della Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali, in via Musei, in cui sono stati condotti buona parte degli esperimenti.

«L’obiettivo è capire come i superconduttori possano diventare tali ad alta temperatura (parliamo comunque di livelli molto, molto bassi). Nei superconduttori gli elettroni si accoppiano a due a due attraverso l’interazione mediata da altri elementi - racconta il fisico - . Osservare questo processo dal vivo è tutt’altro che semplice, data la sua rapidità».

E qui è intervenuta la moviola high tech. «La soluzione che abbiamo pensato - prosegue Giannetti - si basa sull’uso di rapidissimi lampi di luce, della durata di 10 femtosecondi, ossia dieci milionesimi di miliardesimi di secondo. Per poter effettuare queste misure è stato sviluppato un apparato sperimentale unico al mondo, in grado di produrre, utilizzare e misurare impulsi di luce di colori diversi, che durano meno di 10 femtosecondi».

Si tratta di una metodologia, che richiama la «fotografia ad alta velocità», inventata da Eadweard Muybridge più di cent’anni fa.

Muybridge fotografava soggetti in rapido movimento, scomponendo questo in tanti fotogrammi, per poi sovrapporli creando bellissime immagini.

«La metodologia che abbiamo applicato esisteva già - sottolinea Giannetti - ma è la prima volta che viene usata con questa velocità su questi materiali. Abbiamo quindi utilizzato questa tecnica con diverse famiglie di ossidi di rame superconduttori ad alta temperatura, riuscendo a misurare quello che definiamo "il più veloce processo lento".

La ricerca, naturalmente, va avanti. «L’idea è di proseguire in questa direzione - conclude il fisico della Cattolica - . Una questione importante, che voglio ricordare, è che in questo tipo di studi i laureandi e dottorandi possono essere coinvolti, e quindi frequentano il laboratorio, anche per la stesura delle loro tesi».

Paola Gregorio