Superconduttori a temperatura ambiente? Con il laser si può

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La superconduttività è quell’affascinante fenomeno, noto da circa un secolo, per cui certi materiali cessano di offrire resistenza al passaggio della corrente elettrica quando vengono portati a temperature molto basse, vicine allo zero assoluto. Senza questi materiali, chiamati superconduttori, non avremmo le macchine per le risonanze magnetiche nucleari, né avremmo acceleratori di particelle come LHC.
A partire dal 1986 sono stati scoperti alcuni materiali che si comportano come superconduttori anche a temperature al di sopra di quella della liquefazione dell’azoto. Questa scoperta fu importante perché l’azoto liquido è molto economico e semplice da produrre: i superconduttori poterono cominciare a essere usati anche al di fuori dei laboratori più sofisticati. Questa scoperta valse il Premio Nobel per la Fisica del 1987 a Georg Bednorz e Karl Müller

Il primo di questi superconduttori “ad alta temperatura” ad essere stato scoperto è l’ossido di ittrio bario e rame (abbreviato YBCO). Ed evidentemente questo composto è destinato ad avere un ruolo di spicco nello sviluppo tecnologico legato alla superconduttività, perché recentemente è stato il protagonista di un’altra importante scoperta, effettuata da un team internazionale guidato da Andrea Cavalleri dell’Istituto Max Planck per la Struttura e la Dinamica della Materia, ad Amburgo: se colpito con un particolare impulso di raggi laser infrarossi, l’YBCO si comporta come un superconduttore anche a temperatura ambiente. Per pochi milionesimi di secondo, ma lo fa.
L’ossido di ittrio bario e rame ha una struttura molecolare particolarmente complessa, caratterizzata da due piani contenenti rame e ossigeno separati da regioni in cui sono disposti anche gli atomi degli altri elementi. Questa struttura “a sandwich” è responsabile della superconduttività dell’YBCO: gli elettroni di conduzione possono spostarsi per effetto tunnel tra i piani con rame e ossigeno, ma solo a temperature inferiori a circa –180 °C. L’effetto del laser a infrarossi è stato studiato dai ricercatori del Max Planck Institute analizzando con grande precisione le variazioni della struttura cristallina dell’YBCO con un altro laser, questa volta a raggi X: si chiama LCLS e si trova a Stanford, negli USA.

Il motivo di questo comportamento inaspettato ha richiesto un anno di studio; i risultati sono stati pubblicati con un articolo su Nature. «Abbiamo iniziato inviando l’impulso infrarosso al cristallo, e questo ha fatto oscillare alcuni atomi della struttura», racconta Roman Mankowsky, fisico del Max Planck Institute e primo autore dell’articolo. «Subito dopo abbiamo inviato un impulso a raggi X per misurare in maniera precisa la struttura eccitata».
I risultati di queste sottili misurazioni indicavano che il laser a infrarossi non solo eccitava gli atomi, ma li spostava lievemente. I piani con rame e ossigeno risultavano più larghi di appena due picometri (miliardesimi di millimetro): una distanza un centinaio di volte più piccola del diametro di un atomo. Questa differenza, seppur minuscola, è sufficiente per favorire l’accoppiamento quantistico tra i piani e permettere la superconduttività anche a temperatura ambiente.

L’effetto non è durato che una frazione infinitesima di secondo, ma la scoperta è senz’altro importante. Per i teorici dello stato solido, perché aumenta notevolmente le nostre conoscenze sui superconduttori ad alta temperatura; ma soprattutto per le applicazioni pratiche che si possono già sin d’ora immaginare. Commenta Mankowsky: «Questa scoperta potrà aiutare gli scienziati dei materiali a sviluppare nuovi superconduttori con temperature critiche sempre più alte, e in definitiva di raggiungere il sogno di un superconduttore che opera a temperatura ambiente e non necessita di alcun raffreddamento». Se questo sogno diventasse realtà, saremmo di fronte a una vera e propria rivoluzione tecnologica.

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