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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.


Fig. 2.1
: caratteristica resistenza-temperatura del mercurio.

 

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.


Fig. 2.2
: una coppia di Cooper.

 

 

 

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