Superconduttività

Superconduttività

Materiali Superconduttori

I materiali superconduttori si distinguono in LTS (Low Temperature Superconductors), che sono caratterizzati da una temperatura di transizione inferiore a 23,2 K (gli unici noti fino al 1986), e HTS (High Temperature Superconductors) che hanno una temperatura di transizione che può superare i 100 K.

Un decisivo progresso si è verificato nella preparazione e nella caratterizzazione degli ossidi superconduttori ad alta temperatura critica (HTS), e nel controllo del drogaggio dei portatori di carica. Ciò ha consentito di consolidare ipotesi di lavoro e sviluppare nuove idee sui meccanismi di s. di tali materiali. Per es., gli HTS sono accomunati ai metalli di transizione nella caratteristica di avere stati dominanti non spazialmente omogenei. Queste condizioni sembrano stabilizzarsi quando varie interazioni fisiche tra spin e carica, siano esse reticolari e/o orbitali, sono attive. La presenza di strutture elettroniche spontanee su scala nanometrica e l'esistenza di numerose fasi in competizione fra loro sono indici di sistemi dove effetti non lineari sono dominanti (in analogia a materiali soft e sistemi biologici).

Risultati interessanti sono stati ottenuti anche in diverse classi di materiali organici e ibridi organici-inorganici. Tra questi vanno ricordati i nanotubi di carbonio a singola parete che presentano valori della temperatura critica di T_c=15 K, il diamante drogato con boro (T_c=4 K) e i composti alcalini del fullerene, A₃C₆₀ (con A=K, Rb, Cs), con valore della T_c fino a circa 40 K. I meccanismi che generano la s. in questi materiali non sono ancora del tutto chiari ma è interessante osservare che nei materiali ibridi la s. è presente quando c'è un forte legame tra il materiale donore di elettroni (molecola organica) e quello accettore di elettroni (generalmente inorganico). Per quanto riguarda i nanotubi di carbonio, la presenza della s. è sicuramente legata anche alla ridotta dimensionalità (quasi unidimensionale) del composto. Esistono modelli teorici che prevedono nei composti organici con ridotta dimensionalità, e in particolari composti ibridi, la presenza della s. addirittura a temperature maggiori di quella ambiente (T=300 K). Avendo conseguito notevoli risultati in queste e altre interessanti classi di materiali (per es., gli heavy fermions) si considera con massima attenzione il diboruro di magnesio MgB₂, materiale con interessanti proprietà superconduttive (scoperte nel 2001) che rivestono grande interesse sia dal punto di vista fondamentale sia per le potenzialità applicative. Si tratta del superconduttore che, oltre a presentare due gap di energia, mostra la più alta temperatura critica fra tutti i materiali metallici e le leghe metalliche.

Applicazioni elettrotecniche

Per quanto riguarda le applicazioni su larga scala, pochi materiali sono realmente idonei alla realizzazione di conduttori lunghi almeno migliaia di metri (necessari alla realizzazione di macchine elettriche) per il trasporto di alte correnti in campo magnetico. Per i materiali LTS si può considerare consolidata la tecnologia di realizzazione di conduttori lunghi (fino ad alcune decine di km) insieme alle leghe metalliche NbTi e Nb₃Sn con cui sono industrialmente realizzabili magneti ad altissimo campo, fino a circa 20 tesla (T) a 4 K.

I progressi più recenti riguardano la realizzazione di conduttori lunghi costituiti da materiali HTS che, come noto, sono materiali ceramici con una struttura a strati che determina un'anisotropia delle proprietà fisiche e superconduttive.

Le architetture dei conduttori finora sviluppate sono essenzialmente due: filamenti policristallini di materiale superconduttore in una matrice metallica (prima generazione) e film di materiale superconduttore con struttura cristallina orientata su substrati flessibili (seconda generazione). Sono stati realizzati, usando la prima architettura, conduttori lunghi con ossidi di rame, stronzio, calcio e bismuto: Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀(Bi2223) e Bi₂Sr₂CaCu₂O₈(Bi2212). Conduttori multifilamentari in Bi2223 con matrice di argento sono commercialmente disponibili in pezzature di lunghezza fino a circa 1 km e densità di corrente a 77 K di oltre 100 A/mm² in assenza di campo esterno. La stessa architettura è utilizzata nel caso del MgB₂. Tale superconduttore è particolarmente attraente in quanto per il trasporto di alte correnti non è indispensabile l'allineamento dei grani. Il costo del materiale è modesto e il processo di fabbricazione del conduttore è relativamente semplice. Si ritiene che possa essere competitivo in termini di costo/prestazioni con il Bi2223 alla temperatura di esercizio di circa 20 K. La seconda architettura è utilizzata per la realizzazione di conduttori in YBa₂Cu₃O₇ con lunghezze fino ad alcune centinaia di metri che possono sostenere correnti più alte del Bi2223 in un campo magnetico di alcuni tesla a 77 K.

La temperatura di esercizio consentita dagli HTS può favorire enormemente l'affermazione di applicazioni di potenza della superconduttività: motori e generatori elettrici, trasformatori, limitatori di corrente, SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage, accumulo magnetico dell'energia), e così via.

Motori e generatori elettrici

L'impiego di materiali superconduttori consente di realizzare affidabili macchine elettriche rotanti più compatte (minore peso e ingombro) ed efficienti di quelle tradizionali a parità di potenza. Considerazioni di tipo economico circa la competitività delle macchine elettriche superconduttive ne hanno inizialmente impedito l'affermazione commerciale: per i superconduttori LTS il sistema criogenico a elio liquido è piuttosto complesso e costoso. I materiali HTS attualmente disponibili commercialmente (Bi2223) possono essere impiegati a temperature significativamente più alte (30÷40 K) ottenibili con affidabili sistemi di refrigerazione a circuito chiuso (cryocooler). La potenza delle macchine rotanti realizzate tanto negli Stati Uniti quanto in Europa con HTS va da pochi kW a diversi MW. La American Superconductor Corporation ha recentemente costruito nonché testato due motori sincroni HTS: uno da 3700 kW a 1800 giri/min e un altro da 5 MW a 230 g/min per propulsione navale. È attualmente in corso anche la realizzazione di un motore da 36,5 MW a 120 g/min.

Limitatori di corrente

Di grande interesse sono i limitatori di corrente superconduttivi (FCL, Fault Current Limiter). Questi sono utilizzati per la protezione da sovracorrenti di guasto (fault) e sono inseriti in una rete elettrica di distribuzione oppure a monte di utenze di potenza significativa. A differenza di un classico interruttore elettromeccanico, i sistemi FCL sono caratterizzati da un tempo di intervento molto breve e inferiore al ciclo. In presenza di una sovracorrente, l'impedenza del FCL aumenta considerevolmente, limitando quindi il valore della corrente sulla linea per un tempo sufficiente all'intervento delle protezioni che provvedono ad aprire il circuito. I sistemi FCL possono essere inseriti su reti esistenti senza modifica delle protezioni già installate. I dimostratori di maggiore potenza vengono oggi realizzati utilizzando materiali BSCCO 2212 massivi.

Magneti superconduttori

L'applicazione più rilevante dei materiali superconduttori per la dimensione del mercato è rappresentata dai magneti per MRI (Magnetic Resonance Imaging) in medicina. Questa è una metodologia diagnostica non invasiva che si avvale di campi magnetici molto intensi per la generazione di immagini di organi interni del corpo umano. Sono installati nel mondo oltre 20.000 sistemi MRI e il mercato annuale è di circa 2000 unità. Il corrispondente valore commerciale è di circa 4 miliardi di euro/anno, su cui il magnete superconduttore, con relativo sistema criogenico, incide per oltre il 50%. La maggioranza dei magneti superconduttori per MRI è costituita da solenoidi realizzati con NbTi. L'intensità del campo magnetico generato dai magneti commerciali per MRI varia da 1 a 3 T, mentre per scopi di ricerca sono stati costruiti magneti fino a 8 T. I magneti aperti per MRI usano due bobine separate tra le quali è collocato il paziente offrendo il vantaggio di facilitarne l'accesso, evitando problemi di claustrofobia e consentendo l'acquisizione di immagini MRI durante interventi chirurgici. Alcune aziende leader del settore (General Electric, Philips, Siemens, Hitachi) commercializzano magneti aperti il cui campo raggiunge 1 T. Riguardo l'uso di HTS, le industrie Oxford Instruments, Oxford Magnet Technology e Siemens hanno sviluppato un prototipo di magnete aperto da 0,2 T con nastro in Bi2223/Ag raffreddato per conduzione a circa 20 K mediante cryocooler.

Nel settore della ricerca, grande importanza riveste l'impiego di magneti superconduttori per la spettroscopia NMR che costituisce il metodo più sensibile per lo studio di sistemi macromolecolari in chimica e in biologia. La risoluzione aumenta e il tempo di acquisizione generalmente diminuisce al crescere della frequenza di risonanza protonica. Sistemi fino a 900 MHz sono commercialmente disponibili con magnete di campo di circa 21,2 T. È grande l'interesse per spettrometri di frequenza superiore a 1GHz che richiedono un campo di almeno 23,5 T. Soltanto gli HTS (BSCCO o YBCO) consentono di raggiungere tali livelli se utilizzati per costruire inserti da introdurre in magneti realizzati in NbTi,Nb₃Sn e operanti comunque a temperature bassissime. Un solenoide prototipo, avente un inserto centrale realizzato con nastro multifilamentare in Bi2212, raffreddato alla temperatura di 4,2 K, ha generato al National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) di Tallahassee (USA) un campo magnetico di 25 T.

Una nuova era della fisica delle particelle si aprirà con lo start-up del LHC (Large Hadron Collider), in costruzione presso il CERN di Ginevra. Tale collisore è un sincrotrone circolare protone-protone, basato sulla tecnologia dei magneti superconduttori (LTS) che opererà a energie mai raggiunte da alcun altro acceleratore.

Sistemi di accumulo magnetico della energia elettrica

La liberalizzazione del mercato dell'energia elettrica, il crescente impiego di energia da fonti rinnovabili e la ricerca di una sempre più elevata qualità nel servizio di fornitura di energia elettrica richiedono sistemi di accumulo di piccola o media capacità con tempi di intervento molto brevi. Una bobina superconduttiva rappresenta un sistema di accumulo quasi ideale dell'energia elettrica in quanto le perdite dovute principalmente agli adduttori di corrente sono molto modeste. Se si realizza la connessione alla rete elettrica mediante moderni convertitori AC/DC, tale bobina rappresenta un sistema di accumulo induttivo (magnetico) dell'energia elettrica (SMES) attivabile molto rapidamente. La disponibilità futura di conduttori con il raffreddamento in azoto liquido (coated conductors) potrà ridurre drasticamente il costo di tali sistemi di accumulo e renderli più competitivi e maggiormente idonei a un largo impiego.

Trasformatori HTS

I trasformatori realizzati con materiali HTS garantiscono superiore efficienza e riduzione di peso e volume di circa il 40%. Inoltre consentono una migliore utilizzazione delle infrastrutture esistenti soprattutto nelle città densamente popolate dove sono richiesti componenti di maggiore potenza in siti con limitazioni di spazio. La maggiore efficienza energetica dei trasformatori HTS consente di risparmiare energia e quindi di ridurre le emissioni CO₂ con conseguenti vantaggi ambientali. D'altra parte l'azoto liquido, a differenza dell'olio dielettrico presente nei normali trasformatori, non è tossico né infiammabile; pertanto l'installazione di trasformatori HTS all'interno di edifici non presenterebbe rischio di incendio.

Cavi HTS per il trasporto di energia elettrica

Tali cavi possono operare a livelli di potenza dell'ordine di 1000 MW con corrente di 5 kA che è estremamente più elevata di quella sostenibile da un cavo tradizionale. A questo livello di potenza si aggiunge il vantaggio di basse perdite AC. La capacità dei cavi HTS di sostenere alte correnti consente l'esercizio a più bassi livelli di tensione con conseguente riduzione del numero di trasformatori. Diversi prototipi di cavi HTS sono stati realizzati e hanno raggiunto le prestazioni che erano attese. Cavi di molte centinaia di metri per correnti di kA sono attualmente in via di realizzazione.

Applicazioni elettroniche

L'elettronica superconduttiva continua a rivestire grande importanza in svariati settori. Si pensi alla possibilità nell'elettronica digitale della logica RSFQ (Rapid Single Flux Quantum), alla componentistica nel campo delle microonde, ai rivelatori ad alta risoluzione, alla metrologia, ecc., fino alle recenti proposte di circuitistica con giunzioni π e Q-bits.

Per aspetti fondamentali quali l'individuazione della simmetria del parametro d'ordine, gli studi del tunnel quantistico macroscopico (MQT, Macroscopic Quantum Tunnelling) e della coerenza quantistica macroscopica (MQC, Macroscopic Quantum Coherence) resta centrale il ruolo dell'effetto Josephson come probe; in tali argomenti convergono elementi di fisica fondamentale di enorme rilevanza e prospettive di nuove stimolanti applicazioni.

Superconducting quantum interference device (SQUID)

Questo è un dispositivo di eccezionali potenzialità per la misura di campi magnetici estremamente piccoli. Le caratteristiche fisiche dello SQUID e le sue proprietà sono diretta applicazione dell'effetto Josephson e della quantizzazione del flusso. Tra i molteplici campi di applicazione di tali dispositivi vi sono il biomagnetismo, l'analisi non distruttiva dei materiali, la geofisica, e così via. Qui limitiamo l'attenzione ai primi due settori applicativi.

Biomagnetismo. - Lo sviluppo della strumentazione superconduttiva SQUID è di grande importanza per le applicazioni biomediche. Si è assistito al progressivo affermarsi delle tecniche di biomagnetismo che sono in grado di rivelare campi magnetici estremamente deboli generati dalle correnti elettriche responsabili del funzionamento di tutti i tessuti biologici. Tecniche di enorme importanza sono la magnetocardiografia (MCG) e la magnetoencefalografia (MEG). Quest'ultima, insieme ad altre tecniche di indagine funzionale del cervello, quali la tomografia a emissione di positroni (PET, Positron Emission Tomography) e la risonanza magnetica funzionale, fornisce informazioni preziose sull'attività fisiologica delle differenti funzioni cerebrali sotto esame, consentendo di seguirne l'evoluzione temporale con una risoluzione temporale inferiore al millesecondo. Va ricordato, inoltre, come tale tecnica sia assolutamente non invasiva (non comporta alcuna esposizione a raggi X o impiego di sostanze nocive), e quindi idonea anche per i pazienti più impegnativi come bambini, donne in gravidanza, e comunque eseguibile più volte in tempi ravvicinati senza danno per il soggetto.

Per dare una misura della sensibilità di tali tecniche basti pensare che, per es., l'intensità del campo magnetico misurato in prossimità della testa e dovuta all'attività dei neuroni della regione occipitale (attività alfa, che rappresenta la più intensa del cervello) è di circa 5∙10⁻¹³ T, cioè 100 milioni di volte più piccola del campo magnetico terrestre.

Analisi non distruttive sui materiali. - Lo SQUID viene utilizzato nelle misure di correnti parassite (eddy-current) nelle analisi non distruttive, NDE (Non-Destructive Evaluation), per es. di materiali di interesse aerospaziale, nello studio delle caratteristiche fisiche dei materiali compositi funzionali e così via.

Le caratteristiche del magnetometro SQUID assicurano un'estrema sensibilità nelle misure dei difetti presenti in leghe metalliche a elevata profondità (>40 mm), soprattutto alle basse frequenze (dc-SQUID,100 kHz). L'utilizzo dello SQUID nelle analisi non distruttive consente di rivelare difetti di scala millimetrica e submillimetrica anche in presenza di un elevato rumore elettromagnetico di fondo grazie all'impiego di opportune configurazioni dei sensori quali i gradiometri del primo o secondo ordine. Ricerche sull'utilizzo di dc-SQUID HTS nell'ambito delle analisi non distruttive hanno confermato la superiorità intrinseca di tale sensore, rispetto a quelli convenzionali (bobine a induzioni, sonde di Hall, flux-gate, ultrasuoni), nella rivelazione di difetti di scala millimetrica posti a profondità superiore a 20 mm in strutture conduttive non omogenee quali i multistrati metallici e i materiali compositi.

Nell'ambito della scienza dei materiali è di grande importanza la recente realizzazione del microscopio SQUID a scansione capace di rivelare il campo magnetico all'interno del campione in esame con risoluzione di frazioni del quanto di flusso elementare e una risoluzione spaziale dell'ordine di pochi micron. Tale tecnica non a contatto offre grandi possibilità applicative nello studio dei moderni materiali magnetici nanostrutturati, nella ricerca dei malfunzionamenti dei circuiti di un microprocessore, nell'analisi di campioni biologici e nello studio dei processi di attivazione di sostanze antigene.

Va sottolineato che gli SQUID e, più in generale, la componentistica superconduttiva attiva e passiva hanno interessato vari ambiti che investono la fisica, la chimica, la biologia, la scienza dei materiali, la metrologia, la geofisica, la cosmologia, la computazione quantistica e altri aspetti sia di natura fondamentale sia applicativa.

bibliografia

Condensation and coherence in condensed matter, Proceedings of the Nobel jubelee symposium, Goteborg 4-7 december 2001, ed. T. Claeson, P. Delsing, Stockholm 2002; IEEE Transactions on applied superconductivity, 2005, 15, 2, pt. 1.