Da isolante a superconduttore grazie al laser

I ricercatori della Oxford University hanno condotto una sperimentazione che ha dimostrato come sia possibile - seppur per brevissimi istanti - trasformare un materiale isolante in superconduttore grazie all'impiego di opportune pulsazioni di luce laser. Si tratta di un risultato che potrebbe consentire di fare luce su alcuni aspetti ancora oscuri della superconduzione ed in particolare sui motivi per i quali essa si verifica nei cosiddetti superconduttori ad elevata temperatura.

Prima di procedere oltre è necessario una premessa atta a comprendere che cosa siano la superconduzione ed i superconduttori. Si parla di superconduzione quando, all'interno di un corpo, si verifica il passaggio di corrente elettrica senza che vi sia alcuna resistenza e, di conseguenza, non vi sia dissipazione di energia. La superconduzione è stata osservata per la prima volta un secolo fa, nel 1911, quando il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes, durante alcune ricerche sulle temperature prossime agli 0K notò che la resistività (normalmente espressa da una costante dipendente da ciascun materiale) di alcuni conduttori metallici veniva bruscamente abbattuta a temperature prossime allo 0 assoluto. La maggior parte dei superconduttori è in grado di mostrare queste proprietà a temperature attorno ai 20K-30K (e cioè tra i -253°C e i -243°C). Con i termini "superconduttori ad elevata temperatura" vengono indicati particolari materiali in grado di assumere la superconduzione a temperature attorno ai 170K (-103°C). Il miglior superconduttore ad elevata temperatura attualmente conosciuto è un composto di mercurio, bario, calcio, carbonio, uranio e ossigeno, in grado di operare alla temperatura di 134K e cioè a -139°C.

Torniamo all'esperimento condotto dalla Oxford University: è il professor Andrea Cavalleri, che spiega la sperimentazione. "Abbiamo impiegato la luce per trasformare un isolante in un superconduttore. Questo risultato è già entusiasmante in termini delle indicazioni che ci può fornire per questa classe di materiali. La vera domanda ora è: possiamo portare un materiale ad una temperatura più elevata e renderlo un superconduttore?"

Il materiale utilizzato dai ricercatori è molto simile a quello con i quali vengono realizzati i superconduttori con ossido di rame ad elevata temperatura, con la differenza che la disposizone degli atomi e la configurazione elettronica è tale da impedire qualunque passaggio di corrente. Impiegando una forte pulsazione di luce laser infrarossa i ricercatori sono stati in grado di influire sulla posizione di alcuni atomi all'interno del materiale. Il composto, tenuto ad una temperatura di 20°K, è quasi istantaneamente diventato un superconduttore per una frazione di secondo, prima di ritornare al suo normale stato.

Prosegue Cavalleri: "Abbiamo evidenziato che lo stato di non-superconduzione e lo stato di superconduzione non sono poi così differenti in questi materiali, dal momento che si impiega appena un milionesimo di milionesimo di secondo per rendere gli elettroni 'sincronizzati' tra loro e superconduttori. Ciò significa che gli elettroni sono essenzialmente già sincronizzati nello stato di non-superconduzione ma che esiste qualcosa che impedisce loro di scorrere nel materiale senza alcuna resistenza. E' l'azione del laser che rimuove questo 'ostacolo' permettendo la superconduzione".

Questa sperimentazione offre ai ricercatori nuove strade per approfondire in che maniera la superconduzione di verifica in questi materiali, una domanda a cui nessuno è ancora riuscito a dare una risposta sin da quando i superconduttori ad elevata temperatura sono stati scoperti per la prima volta nel 1986. I ricercatori sperano inoltre che questo esperimento possa aprire la strada a ricerche che consentano di ottenere la superconduzione a temperature ancor più alte, con l'obiettivo ultimo di poter realizzare superconduttori capaci di operare a temperatura ambiente. Il raggiungimento di questo difficile obiettivo permetterà in futuro di ridefinire il panorama tecnologico, consentendo l'accesso a nuove applicazioni tecnologiche.

"C'è una corrente di pensiero secondo la quale dovrebbe essere possibile raggiungere la superconduzione a temperature molto più elevate, ma che nei materiali esiste un qualcosa che è di intralcio affinché ciò avvenga. Dovremmo essere in grado di andare a fondo di questa idea e vedere se siamo capaci di eliminare questi ostacoli per rivelare la superconduzione ad elevate temperature. E' un tentativo che vale la pena fare!" ha commentato Cavalleri.

Un impiego ideale dei superconduttori è la costruzione delle bobine per magneti. Grazie ai superconduttori è possibile ridurre considerevolmente, dimensioni, peso e consumo di energia a parità dell'intensità del campo magnetico generato. Giusto a titolo di esempio ricordiamo che i magneti sono oggi impiegati in una vasta serie di applicazioni tecnologiche: dagli acceleratori di particelle ai treni maglev passando per apparecchiature mediche (MRI e MRT).