Il fenomeno della superconduttività ad alta temperatura è di estremo interesse sia teorico che pratico, per le potenziali applicazioni che vanno dalle sospensioni magnetiche dei treni ad alta velocità ai supercalcolatori. Tuttavia, i precisi meccanismi che ne sono all’origine rimangono ancora in gran parte sconosciuti. Un passo forse decisivo verso la loro comprensione è stato annunciato nelle scorse settimane da un gruppo di ricercatori del Max Planck Institute di Stoccarda (Germania) e dell’Università di Princeton (Usa) guidati da H. F. Fong, con un articolo pubblicato su Nature.
I fisici hanno studiato la superconduttività ad alta temperatura con esperimenti di diffusione di neutroni, e i loro risultati indicano che il fenomeno appare strettamente connesso a un effetto di eccitazione collettiva di spin. Cosa significa questo esattamente? E perché un risultato apparentemente così “tecnico” potrebbe avere un interesse così elevato anche fuori dai laboratori? Procediamo con ordine.
Un superconduttore è un materiale che, portato a bassa temperatura, comincia a condurre elettricità con una resistenza trascurabile e senza scaldarsi. In un conduttore normale, infatti, gli elettroni incontrano una certa resistenza nel muoversi poiché vanno a sbattere contro gli atomi del materiale surriscaldandolo. In un superconduttore, di contro, a temperatura sufficientemente bassa gli elettroni si muovono liberamente, ignorando gli atomi che costituiscono il materiale, ad alta velocità e senza scaldare. La cosa è evidentemente interessante dal punto di vista tecnologico. Per esempio, un computer basato su superconduttori sarebbe molto più veloce e, non surriscaldandosi, avrebbe vita lunga.
Esiste tuttavia un problema: i superconduttori ordinari raggiungono tale stato solo a temperature estremamente basse, vicine allo zero assoluto e difficili da mantenere. Per sfruttare la superconduttività, servono materiali che siano superconduttori anche a temperature più alte. Negli anni Ottanta sono stati scoperti materiali che funzionano intorno ai -140 °C, che è ancora una temperatura piuttosto fredda, ma è un bel balzo in avanti rispetto ai superconduttori ordinari. Si tratta di materiali composti generalmente da stratificazioni di rame e ossigeno con altri elementi nel mezzo. Da allora la caccia a superconduttori “caldi” è proseguita e le loro temperature di funzionamento hanno continuato a salire. Però, nonostante l’interesse tecnologico sia elevatissimo, la loro complessità chimica ne ha rallentato le possibili applicazioni, a causa delle difficoltà nel produrli. Non solo. Continuava a mancare una teoria soddisfacente per il comportamento preciso di questi materiali.
Invece, la spiegazione alla superconduttività ordinaria (a bassa temperatura) è venuta negli anni ‘50 con la cosiddetta teoria BCS (dai nomi di Bardeen, Cooper e Schrieffer, i tre ricercatori che la elaborarono). Succede che un elettrone carico negativamente che si muova in un metallo, ne attirerà leggermente gli atomi, che hanno una carica netta positiva, avvicinandoli. L’elettrone visto da lontano avrà così una carica apparente positiva, a causa degli atomi del metallo che gli si sono avvicinati. È dunque possibile che un altro elettrone sia attirato dal primo. E come spesso succede, quando due particelle cariche con segno opposto s’incontrano, dopo l’attrazione fisica stabiliscono una relazione permanente. E formano così una coppia elettrone-elettrone, detta coppia di Cooper.
Ma gli elettroni hanno anche una proprietà detta spin, cioè girano su se stessi. In particolare per formare una coppia di Cooper, i due elettroni devono girare su se stessi in maniera opposta, e la coppia avrà spin nullo. E questa è la parte cruciale per quel che ci riguarda. Gli elettroni si sono trasformati in qualcosa di radicalmente diverso. Esistono infatti due categorie di particelle: i bosoni e i fermioni. Gli elettroni per sé sono fermioni, ma le coppie di Cooper sono bosoni, e mentre i fermioni tendono a eccitarsi più del necessario, i bosoni fanno esattamente il contrario: potendo non si scompongono. Di conseguenza, se è vero che agli elettroni piace andare a sbattere sugli atomi del metallo, è pur vero che alle coppie di Cooper la cosa non piace affatto, e tenderanno a muoversi tranquillamente senza dar fastidio a nessuno, originando così la superconduttività.
Purtroppo, questa spiegazione non funziona per i superconduttori ad alta temperatura. Da qui la necessità di investigare le proprietà degli elettroni in tali materiali. Data l’importanza dello spin nel problema, nel lavoro riportato su Nature si è pensato bene di utilizzare i neutroni come mezzo di investigazione. Infatti, anche i neutroni hanno un loro spin. E per di più penetrano profondamente nella materia, e quando ne escono contengono informazioni relative agli spin degli elettroni nel materiale. I ricercatori di Stoccarda e di Princeton hanno osservato che nel loro campione a base di rame gli elettroni “superconduttori” sono in uno stato di eccitazione collettiva di spin. In altri termini, gli spin degli elettroni si muovono all’unisono. Questo fenomeno, già osservato in precedenza in un altro superconduttore a base di rame, sembrerebbe alla base della superconduttività ad alta temperatura. I risultati sembrano dunque dimostrare che a temperature più elevate le coppie di Cooper sono sostituite dall’eccitazione collettiva, un risultato importante per la comprensione profonda della superconduttività e le eventuali applicazioni pratiche.
