Superconduttività del II tipo

La relazione tra campo magnetico B e la temperatura T in un superconduttore del II tipo. I superconduttori del I tipo non presentano la fase intermedia tra BC1 e BC2

In fisica, un materiale superconduttore può essere classificato come superconduttore del II tipo se, sottoposto ad un campo magnetico di intensità superiore a un certo valore critico, chiamato Bc1, che dipende dal materiale e dalla sua temperatura, le linee del campo magnetico attraversano il materiale solo in alcuni punti, detti vortici di Abrikosov o flussoni,[1] mentre sotto il valore Bc1 non passa alcuna linea (espulsione del campo magnetico), ottenendo l'effetto Meissner.[2] Aumentando ulteriormente l'intensità del campo, aumenta anche la densità dei vortici, fino a un successivo valore critico, detto Bc2, al quale la superconduttività è distrutta e il campo attraversa completamente il materiale. La differenza rispetto ai superconduttori del I tipo è che questi ultimi non hanno la fase intermedia tra Bc1 e Bc2.[3]

Storia

Vortici in un film di YBCO spesso 200 nm film immagine ottenuta da un microscopio a SQUID[4]

Nel 1935, Lev Shubnikov e J.N. Rjabinin[5][6] scoprirono sperimentalmente i superconduttori del II tipo, 24 anni dopo la scoperta dei superconduttori metallici puri. Nel 1950, la teoria dei due tipi di superconduttori è stata in parte spiegata grazie alla teoria di Ginsburg-Landau[7] (la teoria prende il nome dai due famosi teorici russi Vitaly Ginzburg e Landau). La spiegazione del comportamento è dovuta ad Abrikosov, che estese ai superconduttori il modello dei vortici quantistici dell'elio superfluido sviluppato da Onsager e Feynman, assieme alla quantizzazione del flusso magnetico nei superconduttori. Abrikosov per la teoria dei vortici magnetici che giustificano il comportamento del superconduttori del II tipo ricevette nel 2003 il premio Nobel per la Fisica[8].

Stato di vortice

La spiegazione può essere data basandosi sulla teoria di Ginsburg-Landau che introduce oltre alla lunghezza di penetrazione di London λ anche la lunghezza di coerenza.

Una lunghezza che misura la dimensione spaziale del parametro d'ordine nei superconduttori (la densità delle coppie di Cooper). Il rapporto κ = λ/ξ, è conosciuto come parametro di Ginzburg–Landau . Se tale grandezza adimensionale è 0 < κ < 1/√2 il superconduttore è del I tipo in quanto l'energia libera è positiva nell'interfaccia metallo normale-superconduttore. Se κ > 1/√2 in pratica se la lunghezza di coerenza è minore della lunghezza di penetrazione. Vi è una energia libera negativa all'interfaccia metallo normale-superconduttore. Una energia di interfaccia negativa causa una instabilità del sistema che tende a massimizzare il numero di interfacce. Queste interfacce si manifestano nel materiale come linee del flusso magnetico che attraversano il materiale.

Rendendo normali delle regioni del materiale. Una corrente circolante separa le regioni normali da quelle superconduttrici e sono chiamate per analogia con la dinamica dei fluidi vortici di Abrikosov.

In poche parole un superconduttore del II-tipo si comporta in un intenso campo magnetico in maniera equivalente ai vortici quantizzati dell'elio superfluido descritto da Feynman nel 1955[9].

Magneti superconduttori

I superconduttori del I tipo hanno campi critici bassi e quindi non sono utilizzabili per sopportare campi magnetici intensi. Quindi il tentativo di Kamerling-Onnes di fabbricare magneti superconduttori con il piombo fu un tale insuccesso che per circa 50 anni nessuno provò a fabbricare magneti superconduttori. In realtà solo i superconduttori del II tipo possono sopportare correnti molto intense se i vortici quantizzati sono fissati in punti ben precisi (detti centri di pinning). Infatti nel 1961, J.E. Kunzler, E. Buehler, F.S.L. Hsu, and J.H. Wernick[10] scoprirono che a 4.2 K, un composto di Niobio e Stagno era capace di sopportare una corrente di in un campo di 8.8 T. In realtà il Nb-Sn è molto fragile, anche se riesce a funzionare fino a campi di 20 T. Tuttora viene preferito il Nb-Ti, una lega scoperta l'anno successivo[11][12] anche se al massimo riesce a funzionare fino a 10 T.

Nella maggior parte dei casi i magneti superconduttori sono utilizzati per la risonanza magnetica nucleare e attualmente sono tutti in Nb-Ti. I magneti utilizzati nei grandi acceleratori di particelle come LHC utilizzano magneti di Nb-Ti, ma nel prossimo futuro utilizzeranno Nb-Sn. I superconduttori ad alta temperatura critica scoperti nel 1986 da Bednorz e Müller,[13] sono tutti superconduttori del II tipo. In teoria possono generare campi molto intensi ma a tutt'oggi non sono usati nei grandi magneti superconduttori in funzione a causa della difficoltà di fabbricazione.

Note

  1. ^ Abrikosov, A. A. (1957). The magnetic properties of superconducting alloys. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2(3), 199-208.
  2. ^ M. Tinkham, Introduction to Superconductivity, Second Edition, New York, NY, McGraw-Hill, 1996, ISBN 0-486-43503-2.
  3. ^ ScienzaPerTutti, 4. Superconduttori di tipo I e II, su scienzapertutti.infn.it. URL consultato il 7 dicembre 2020.
  4. ^ F. S. Wells e et. al., Analysis of low-field isotropic vortex glass containing vortex groups in YBa2Cu3O7−x thin films visualized by scanning SQUID microscopy, in Scientific Reports, vol. 5, 2015, p. 8677, DOI:10.1038/srep08677, PMC 4345321, PMID 25728772.
  5. ^ Rjabinin, J. N. and Schubnikow, L.W. (1935) "Magnetic properties and critical currents of superconducting alloys", Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion, vol .7, no.1, pp. 122–125.
  6. ^ J. N. Rjabinin e L. W. Shubnikow, Magnetic Properties and Critical Currents of Supra-conducting Alloys, in Nature, vol. 135, n. 3415, 1935, p. 581, Bibcode:1935Natur.135..581R, DOI:10.1038/135581a0.
  7. ^ Ginzburg, V.L. and Landau, L.D. (1950) Zh. Eksp. Teor. Fiz. 20, 1064
  8. ^ A. A. Abrikosov, "Type II superconductors and the vortex lattice", Nobel Lecture, December 8, 2003
  9. ^ R. P. Feynman, Application of quantum mechanics to liquid helium, in Progress in Low Temperature Physics, Progress in Low Temperature Physics, vol. 1, 1955, pp. 17-53, DOI:10.1016/S0079-6417(08)60077-3, ISBN 978-0-444-53307-4.
  10. ^ J.E. Kunzler, E. Buehler, F.L.S. Hsu, and J.H. Wernick, Superconductivity in Nb3Sn at High Current Density in a Magnetic Field of 88 kgauss, in Physical Review Letters, vol. 6, n. 3, 1961, pp. 89-91, Bibcode:1961PhRvL...6...89K, DOI:10.1103/PhysRevLett.6.89.
  11. ^ T.G. Berlincourt and R.R. Hake, Pulsed-Magnetic-Field Studies of Superconducting Transition Metal Alloys at High and Low Current Densities, in Bulletin of the American Physical Society, II-7, 1962, p. 408.
  12. ^ T.G. Berlincourt, Emergence of Nb-Ti as Supermagnet Material, in Cryogenics, vol. 27, n. 6, 1987, pp. 283-289, Bibcode:1987Cryo...27..283B, DOI:10.1016/0011-2275(87)90057-9.
  13. ^ P. J. Ford, The Rise of the Superconductors, CRC Press, 2005.

Voci correlate

  Portale Fisica