La superconduzione
Nei metalli, gli atomi mettono in comune alcuni elettroni del guscio più
esterno, comportandosi come ioni positivi. Gli elettroni, quando sono soggetti
ad una differenza di potenziale, possono muoversi all'interno della struttura
cristallina del metallo generando una corrente elettrica. La resistenza offerta
da un metallo al passaggio della corrente elettrica corrisponde, a livello microscopico,
ad una serie continua di urti tra elettroni, praticamente liberi, e ioni
del reticolo, che oscillano attorno alle posizioni reticolari con una frequenza
tanto maggiore quanto più alta è la temperatura. Se iniziamo a
raffreddare un metallo, di fatto riduciamo l'agitazione termica degli ioni attorno
alle loro posizioni di equilibrio, e questo comporta una diminuzione della resistenza
offerta al passaggio degli elettroni. Tuttavia la resistenza non dovrebbe mai
diventare nulla, perché gli elettroni urterebbero contro gli ioni anche
se questi fossero immobili.
Come già detto, il fenomeno della superconduttività fu osservata
per la prima volta da Onnes nel 1911, raffreddando del mercurio a 4.2 K.
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Fig. 2.1: caratteristica resistenza-temperatura del mercurio.
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Ma come si spiega la superconduttività? L'idea venne a J. Bardeen, L.
Cooper e J. Schrieffer, che proposero la teoria BCS. Quando un
elettrone passa nelle vicinanze di ioni positivi, questi ultimi vengono attratti
e si spostano leggermente dalle loro posizioni di equilibrio andando verso di
esso. Non appena l'elettrone è passato oltre, gli ioni tornano indietro,
velocemente ed elasticamente, verso le proprie posizioni originarie. In alcuni
materiali, quando raffreddati al di sotto della loro Tc, gli ioni positivi non
tornano immediatamente nelle loro posizioni originarie dopo il passaggio di
un elettrone. Secondo la teoria BCS, questo fa sì che localmente si abbia
un addensamento di carica ionica positiva che è in grado di attrarre
un secondo elettrone posto nelle immediate vicinanze. Una volta catturato, questo
elettrone seguirà la deformazione reticolare indotta dal primo, e i due
elettroni si comporteranno di fatto come una coppia legata con spin totale
nullo (coppia di Cooper) in moto nel cristallo, ignorando la reciproca repulsione
coulombiana.
Il meccanismo di formazione delle coppie può essere assimilato a quello
per cui due sfere di piombo, poste su un materasso, tendono a convergere nello
stesso punto, sfruttando la deformazione del materasso sottostante. Le coppie
di Cooper sono molto instabili e si formano e disfano continuamente all'interno
del cristallo. Di fatto non urtano contro gli ioni del reticolo perché
è il reticolo stesso che, deformandosi a livello microscopico, crea spazio
per il moto dei due elettroni legati: il cristallo presenta, quindi, resistenza
nulla.
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Fig. 2.2: una coppia di Cooper. |
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