La superconduttività
27 Agosto 2016
Ciao! Come va l’estate? La scorsa volta ci siamo lasciati con un sondaggione su Space break al quale potete ancora rispondere. Chi non l’ha fatto ha l’ultima occasione. In particolare sarebbe bello che diciate la vostra sulla cadenze delle newsletter: le preferite settimanali, bisettimanali o mensili? E in che giorno della settimana? Sondaggione, appunto.
Le newsletter ripartiranno con una certa regolarità a inizio settembre e ci saranno delle novità. Siate pronti.
Oggi invece parliamo della superconduttività e della teoria BCS. In fondo trovate anche alcune notizie di queste settimane.
Per scrivermi l’indirizzo è sempre spacebreak [at] francescobussola.it.
Di cosa parliamo oggi
– resistività e conducibilità elettrica
– i superconduttori
– la teoria BCS
– pillole del mese
Resistività e conducibilità
Non tutti i materiali conducono la corrente elettrica allo stesso modo. Sappiamo un po’ tutti che la gomma è un buon isolante, mentre è più facile prendere la scossa utilizzando degli oggetti metallici. È il motivo per cui i fili della corrente sono fatti quasi sempre di rame – non è il miglior metallo da usare, ma è uno dei meno costosi – mentre i rivestimenti sono fatti di gomma o plastica.
Ma cosa vuol dire che un materiale conduce la corrente? Sappiamo che la materia è fatta di atomi e che questi atomi hanno una struttura interna, ossia sono composti da un nucleo – che contiene i protoni e i neutroni – e da degli elettroni – delle particelle molto piccole e leggere che ruotano intorno al nucleo (per chi volesse approfondire ne abbiamo parlato qui). Gli elettroni si dispongono attorno al nucleo in particolari strutture, chiamate orbitali atomici. Gli elettroni che si trovano negli orbitali più vicini al nucleo dell’atomo, solitamente se ne stanno lì tranquilli, mentre quelli più esterni – che vengono chiamati elettroni di valenza – hanno a volte la possibilità di sganciarsi dall’atomo e se accade che gli atomi sono legati tra loro in certe configurazioni, questi elettroni riescono a muoversi nel materiale, saltando da un atomo all’altro.
La facilità con cui questi elettroni riescono a muoversi è chiamata conducibilità elettrica: i materiali con un’alta conducibilità, sono dunque chiamati conduttori elettrici.
Tra i migliori conduttori elettrici troviamo appunto i metalli, che grazie alla struttura in cui sono disposti i loro atomi e al fatto che condividono molti elettroni di valenza, oppongono poca resistenza al flusso degli elettroni nel materiale. Per attivare questo flusso di elettroni bisogna applicare una differenza di potenziale elettrico, chiamata anche tensione. Insomma, bisogna fare in modo che gli elettroni nel materiale decidano di andare in una direzione particolare. Otteniamo questo risultato, ad esempio, quando inseriamo una spina in una presa elettrica, che fornisce una tensione di 230 Volt, o quando si collegano con un circuito i due capi di una batteria: gli elettroni si mettono in moto.
Nell’animazione qui sotto vedete i capi di una batteria collegati con la carta metallizzata delle gomme da masticare: la batteria ha una differenza di potenziale tra i due capi, che mette in movimento gli elettroni nel metallo. Il metallo comincia a scaldarsi e infine la carta a cui è incollato brucia.
I capi di una batteria collegati con della carta metallizzata.
Il contrario della conducibilità è la resistività elettrica. Più un materiale è resistivo, meno è un conduttore e viceversa.
Inoltre la capacità dei materiali di condurre l’elettricità dipende dalla loro temperatura. Tendenzialmente, la resistività di un conduttore diminuisce man mano che diminuisce la temperatura – è uno dei motivi per cui molti circuiti elettrici hanno dei sistemi di raffreddamento. Tuttavia la resistività non si annulla mai: buoni conduttori come l’oro, l’argento e il rame hanno una resistività non nulla anche allo zero assoluto (-273,15°C), che è la temperatura più bassa raggiungibile.
I superconduttori
Eppure esistono dei materiali che, a temperature prossime allo zero assoluto, non oppongono alcuna resistenza al passaggio della corrente. Sono i materiali superconduttori.
La superconduttività fu scoperta nel 1911 dal fisico Heike Kamerlingh Onnes mentre studiava un campione di mercurio a temperature prossime allo zero assoluto (Onnes è famoso soprattutto per essere riuscito a creare l’elio liquido – ne abbiamo parlato in questa newsletter). A circa -269°C, la resistività del mercurio al passaggio della corrente diventa improvvisamente nulla: ciò significa che gli elettroni riescono a muoversi nel materiale senza perdere energia, in una specie di “moto perpetuo”. Chi segue le newsletter avrà notato una certa somiglianza con il fenomeno della superfluidità. La superfluità, così come la superconduttività, si presenta in alcune sostanze solo al di sotto di una determinata temperatura, che varia da materiale a materiale.
Quanti superconduttori ci sono?
Dal 1911 a oggi sono stati scoperti molte sostanze in grado di trasformarsi in superconduttori. Tra questi troviamo una trentina di metalli, con temperature di transizione tra i -273°C e i -264°C, varie leghe metalliche o composti più complessi. Esistono ceramiche che diventano superconduttori già a -200°C. Nel 1993 fu scoperta una ceramica in grado di trasformarsi in superconduttore a −135 °C.
La scoperta di materiali superconduttori a temperature più alte favorirebbe il loro utilizzo in campo elettronico: garantirebbero una trasmissione di corrente senza alcuna dispersione di energia. Tuttavia non è ancora stato trovato un superconduttore a temperatura ambiente – e non è detto che lo si troverà mai.
Si possono utilizzare?
L’utilizzo dei superconduttori non è comunque facile, perché in presenza di correnti o campi magnetici elevati il materiale torna allo stato normale. La presenza di campi elettromagnetici, infatti, abbassa la temperatura critica a cui avviene la transizione allo stato di superconduttore. Per trasformare nuovamente il materiale in superconduttore bisogna quindi diminuire ulteriormente la temperatura, ma più è bassa la temperatura, più diventa difficile abbassarla.
I superconduttori sono quindi molto usati in ambito sperimentale, laddove ci sono i fondi e le tecnologie per raggiungere temperature così basse. Al CERN di Ginevra, ad esempio, vengono utilizzati come conduttori di corrente per gli acceleratori di particelle. Esistono però anche alcune applicazioni industriali – come l’installazione di cavi per la conduzione della corrente, la realizzazione di elettromagneti o la costruzione dei magnetometri SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) – e in campo medico, dove i superconduttori vengono utilizzati per la risonanza magnetica nucleare.
L’effetto Meissner-Ochsenfeld
Tra i vari effetti presentati dai superconduttori, il più interessante è forse l’effetto Meissner-Ochsenfeld, scoperto nel 1933. Se si prende un superconduttore, lo si “immerge” in un campo magnetico e si abbassa l’intensità del campo magnetico al di sotto di una certa soglia, si creano sulla superficie del superconduttore delle correnti che inducono, all’interno, un campo magnetico opposto a quello applicato. In sostanza significa che all’interno del superconduttore il campo magnetico si “spegne”.
Questo effetto è quello che permette di ottenere una levitazione magnetica stabile: si prende un superconduttore, gli si appoggia sopra una calamita e poi lo si raffredda fino a raggiungere la temperatura critica. Ecco quello che accade.
Un magnete, appoggiato sopra un superconduttore raffreddato
con azoto liquido, comincia a levitare.
La teoria BCS
Per spiegare il comportamento dei superconduttori non è sufficiente la fisica classica ed è necessario utilizzare le leggi della Meccanica quantistica. Negli anni cinquanta i fisici Bardeen, Cooper e Schrieffer svilupparono una teoria per descrivere il fenomeno della superconduttività. Come abbiamo già visto in qualche newsletter, in natura esistono due grandi famiglie di particelle, i bosoni e i fermioni. Gli elettroni, le particelle che nei conduttori trasportano la carica elettrica, sono fermioni. La teoria BCS prevede che nei superconduttori gli elettroni si uniscano a formare delle coppie, chiamate coppie di Cooper e che siano queste coppie a trasportare la carica elettrica al posto dei singoli elettroni. Tuttavia queste coppie non si comportano più come fermioni, ma come bosoni, che obbediscono a leggi fisiche completamente diverse e che hanno possibilità di muoversi nel materiale più liberamente.
Pillole del mese
Alcune notizie di queste settimane, in breve.
Nuova particella al CERN? Pare di no
Nei mesi scorsi si era vociferato della possibile scoperta di una nuova particella al CERN. Nuove misurazionisembrerebbero escludere questa possibilità. Il picco rilevato potrebbe essere stata una semplice fluttuazione statistica delle misure. (Cos’è il CERN?)
Il bosone di Higgs, di nuovo
Sempre al CERN è stato nuovamente misurato il bosone di Higgs. I nuovi dati permetteranno di studiare la particella più nel dettaglio. (Cos’è il bosone di Higgs?)
A caccia di asteroidi
La NASA ha approvato la fase di sviluppo dei componenti robotici di ARM (Asteroid Redirect Mission), un progetto che prevede la cattura e il dirottamento di un asteroide di circa 4 metri. Una volta trascinato in un’orbita stabile l’asteroide potrebbe essere visitato da due astronauti utilizzando una capsula Orion.
Una fase di test a grandezza naturale dei componenti robotici di ARM (Credit: NASA)
ER=EPR
Potreste aver letto da qualche parte che il fisico Susskind ha proposto un’equazione che potrebbe risolvere il problema dell’unificazione della Relatività Generale con la Meccanica quantistica. L’equazione recita ER=EPR e afferma che ci potrebbe essere un qualche collegamento fisico e geometrico tra gli wormholes di Einstein e Rosen (i famosi “tunnel spaziotemporali” che si vedono nei film) e il paradosso di Einstein Podolski e Rosen, che riguarda l’entaglement, un fenomeno molto esotico che si incontra in Meccanica quantistica (ne parleremo). L’argomento sembra piuttosto speculativo, soprattutto considerando il fatto che gli wormholes, per quel che ne sappiamo, non esistono. È bene quindi essere prudenti ed evitare toni troppo enfatici. Comunque sia, per chi è curioso, ecco qui il paper di Susskind.
Per approfondire
– La levitazione magnetica nei superconduttori (video in inglese)
– Una registrazione Rai sui superconduttori
– Marina Putti spiega le applicazioni dei superconduttori (video, un po’ tecnico)
La superfluidità
14 Maggio 2016
Ciao! Oggi parliamo della superfluidità, uno stato della materia molto particolare. Nelle pillole della settimana parliamo invece della scoperta di un nuovo tipo di semiconduttore, del telescopio spaziale Kepler e di un mistero astronomico finalmente risolto.
Di cosa parliamo oggi
– la viscosità e i superfluidi
– l’elio liquido
– pillole della settimana
La viscosità e i superfluidi
Tutti le sostanze fluide, come ad esempio i liquidi o i gas, hanno una certa viscosità. La viscosità è un grandezza fisica che rappresenta la resistenza del fluido allo scorrimento. Insomma, più un fluido è viscoso, più fa fatica a scorrere. L’olio, ad esempio, è un fluido più viscoso dell’acqua, che a sua volta, è più viscosa dell’aria.
La viscosità non cambia solo in base al fluido che considerate, ma anche in base alla sua temperatura. Generalmente i liquidi, man mano che aumenta la temperatura, diminuiscono la loro viscosità, mentre per i gas accade il contrario.
Esistono però alcune sostanze che, a certe temperature, si comportano come se non avessero viscosità: sono i cosiddetti superfluidi.
L’elio liquido
Un esempio di superfluido è l’elio liquido. L’elio ce l’avete presente, no? È quel gas che mettiamo nei palloncini e che quando lo respiriamo fa venire una vocina da paperino.
Il motivo per cui siamo abituati a vedere l’elio sempre come un gas e mai come liquido, è che il suo punto di ebollizione è molto basso. Il punto di ebollizione è la temperatura alla quale una sostanza passa dallo stato liquido a quello gassoso e viceversa – ossia la temperatura alla quale bolle. Mentre l’acqua, in condizioni normali di pressione (1 atmosfera), bolle a 100°C, l’elio bolle a circa -269°C, che è una temperatura bassissima e difficile da raggiungere. Considerate che la temperatura più bassa raggiungibile, lo zero assoluto, equivale a -273,15°C.
Il primo che riuscì a creare l’elio liquido, portandolo a temperature così basse, fu il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes. Era il 1908 e tutto quello che si sapeva sui fluidi veniva dalla fisica classica di Newton. Negli anni seguenti ci si accorse però che l’elio liquido non si comportava come gli altri fluidi – i cosiddetti fluidi newtoniani: al di sotto di una certa temperatura, aveva delle proprietà spettacolari e inaspettate.
Viscosità
Sotto i -271°C l’elio liquido smette di comportarsi come un fluido normale. Questa transizione di fase è segnalata da un comportamento molto strano: le bolle dell’elio, che ha da pochissimo superato il suo punto di ebollizione, scompaiono improvvisamente e la sua superficie diventa di colpo piatta, come si vede in questa animazione.
Studiando l’elio dopo questa transizione di fase, ci si accorge che la sua viscosità è pari a zero e che si comporta come un fluido irrotazionale – ossia non si possono formare vortici e mulinelli (nota per gli esperti: in realtà si possono formare dei vortici quantistici, ma oggi non ne parlo). È diventato un superfluido.
Una delle dimostrazioni più efficaci del suo comportamento superfluido è la seguente: si prende un bicchiere con dei piccolissimi forellini e lo si riempie di elio liquido. A causa della viscosità, l’elio non riesce a uscire dai forellini. Appena l’elio diventa superfluido, ecco cosa succede (occhio alle goccioline).
Il film flow
Un altro comportamento stranissimo dell’elio superfluido è il cosiddetto film flow. Se immergiamo un oggetto nell’elio, questo lo ricopre con un film sottilissimo, una pellicola di liquido dello spessore di qualche atomo dentro la quale può scorrere l’elio stesso.
Per questo motivo, se prendiamo un contenitore bagnato di elio e lo immergiamo parzialmente nel liquido – senza però farlo affondare – comincia a riempirsi. Se poi lo solleviamo senza rovesciarlo, l’elio risale le sue pareti sconfiggendo la gravità e il contenitore si svuota da solo. Come? Così:
Trasmissione del calore
Tutti i materiali conducono calore. Alcuni sono più conduttivi e lo traferiscono velocemente da un punto a un altro, come i metalli ad esempio. Altri invece sono più isolanti e lo conducono lentamente, come il legno o la gomma. La grandezza fisica che indica la capacità di una sostanza di trasferire il calore si chiama conducibilità termica. Più la conducibilità è grande, più velocemente la sostanza trasferisce calore da un punto a un altro. Ecco, l’elio superfluido ha una conducibilità infinita. Questo significa che non è possibile che due parti del superfluido abbiano temperatura diversa, perché il calore si trasferisce istantaneamente, bilanciando le temperature. Questo è il motivo per cui, al di sotto di -271°C, le bolle spariscono di colpo: le bolle sono zone in cui il liquido è più caldo. Quando l’elio diventa superfluido, le temperature si riequilibrano e le parti più calde si raffreddano istantaneamente.L’effetto fontana
L’effetto fontana, detto anche effetto termomeccanico, è un fenomeno molto spettacolare. Immaginate di prendere un tubicino contenente polvere abrasiva e di immergere una sua estremità nell’elio superfluido. Riscaldando la polvere abrasiva, l’elio risale il tubicino per riequilibrare la temperatura, creando un getto di superfluido.
Perché c’è la superfluidità?
Il comportamento superfluido di alcune sostanze si può spiegare solo tramite le leggi della Meccanica quantistica. Purtroppo non possiamo entrare nei dettagli, perché servono conoscenze e competenze che richiedono mesi di studio. Magari riusciremo a dire qualcosa in più quando parleremo dei condensati di Bose-Einstein. Anche se non sono la stessa cosa, i due fenomeni sono imparentati in vari modi.
Pillole della settimana
Qualche notizia di questa settimana, in breve.
Scoperto un nuovo semiconduttore ferromagnetico
Degli scienziati giapponesi e vietnamiti hanno prodotto un semiconduttore ferromagnetico a temperatura ambiente utilizzando dell’antimonio dopato con atomi di ferro e gallio. I semiconduttori ferromagnetici sono importanti in elettronica perché sono facili da manipolare per trasferire e memorizzare i dati. Tuttavia hanno un limite: il loro ferromagnetismo si mantiene solo a temperature ben al di sotto dello zero. Se veramente si riuscirà ad utilizzare questo nuovo materiale a temperatura ambiente, ci potrebbero essere importanti ricadute in elettronica e in informatica.
La Red Dragon è tornata
La capsula Red Dragon di SpaceX è tornata a terra sana e salva dopo aver rifornito la ISS. Qui la foto.
Kepler trova cose
Il telescopio spaziale Kepler, in orbita dal 2009, ha scovato 1284 nuovi pianeti nella Via Lattea. Tra i nuovi pianeti scoperti, più di 500 sembrano essere rocciosi e nove di questi sono potenzialmente abitabili.
150-kilometer echoes
Gli scienziati hanno finalmente capito, dopo cinquant’anni, l’origine del fenomeno “150-kilometer echoes”. I segnali radar inviati nello spazio vengono infatti riflessi verso terra come se a 150 km di altezza ci fosse una specie di specchio che produce degli eco. Verso mezzogiorno questo immaginario specchio scende fino a 30 km di altezza, mentre di notte sparisce. L’effetto specchio è dovuto a delle vibrazioni degli ioni presenti nell’atmosfera, prodotte dalle interazioni tra gli ioni, le molecole e i fotoni provenienti dal Sole.
LHC riparte
È ripartito l’acceleratore LHC del CERN (cos’è?). Gli esperimenti di quest’anno raccoglieranno un numero di dati sperimentali sei volte maggiore dell’anno scorso. Non si aspettano grandi risultati scientifici, ma ogni risultato che si discosterà dalle previsioni del Modello standard potrebbe essere l’indicazione dell’esistenza di fenomeni fisici ancora sconosciuti.
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Per approfondire
– Il documentario della BBC da cui ho preso le varie gif
– Un documentario BBC più recente e a colori
– I vortici quantistici in un superfluido (video)