Tipi di materiali superconduttori e loro applicazioni

Introduzione

I materiali superconduttori sono una straordinaria classe di materiali che presentano una resistenza elettrica nulla e l'espulsione di campi magnetici (effetto Meissner) quando vengono raffreddati al di sotto di una temperatura critica (Tc). Dalla loro scoperta, avvenuta nel 1911 ad opera di Heike Kamerlingh Onnes, i superconduttori hanno rivoluzionato diversi campi, dall'imaging medico alla trasmissione di energia. Questo articolo illustra i diversi tipi di materiali superconduttori e le loro diverse applicazioni.

Tipi di materiali superconduttori

I superconduttori possono essere classificati in due categorie in base alla loro temperatura critica e alle loro proprietà magnetiche: Superconduttori di tipo I e di tipo II. Inoltre, possono essere classificati in base alla loro composizione e ai tempi di scoperta, come superconduttori convenzionali, ad alta temperatura e non convenzionali.

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1. Superconduttori di tipo I

Isuperconduttori di tipo I sono principalmente metalli puri e metalloidi che mostrano superconduttività a temperature molto basse (in genere inferiori a 30 K). Sono caratterizzati da una netta transizione allo stato superconduttore e dalla completa espulsione dei campi magnetici (effetto Meissner) al di sotto del loro campo magnetico critico (Hc). Tra gli esempi ricordiamo:

- Mercurio (Hg): Il primo superconduttore scoperto, con una Tc di 4,2 K.

- Piombo (Pb): Tc di 7,2 K.

- Alluminio (Al): Tc di 1,2 K.

I superconduttori di tipo I sono limitati nelle applicazioni pratiche a causa delle loro basse temperature critiche e dei campi magnetici.

2. Superconduttori di tipo II

Isuperconduttori di tipo II sono materiali più complessi, tra cui leghe e composti, che possono resistere a campi magnetici più elevati e hanno temperature critiche più alte. Permettono ai campi magnetici di penetrare sotto forma di vortici quantizzati, consentendo loro di rimanere superconduttori a campi più elevati. Ne sono un esempio:

- Niobio-Titanio (NbTi ): Ampiamente utilizzato nei magneti superconduttori per le macchine per la risonanza magnetica e gli acceleratori di particelle.

- Niobio-Stagno (Nb3Sn): Utilizzato nei magneti ad alto campo grazie al suo campo critico più elevato.

3. Superconduttori ad alta temperatura (HTS)

I superconduttori ad alta temperatura sono una classe di materiali che presentano superconduttività a temperature significativamente più elevate rispetto ai superconduttori convenzionali (oltre i 30 K). Spesso sono materiali a base di ossido di rame (cuprato) o di ferro. Alcuni esempi sono:

- Ossido di rame bario ittrio (YBCO): Tc di 92 K.

- Ossido di bismuto, stronzio, calcio e rame (BSCCO): Tc di 110 K.

- Superconduttori a base di ferro: Scoperti nel 2008, con Tc fino a 55 K.

I materiali HTS sono particolarmente promettenti per le applicazioni pratiche grazie alla loro capacità di operare a temperature di azoto liquido (77 K), che è più conveniente dell'elio liquido.

4. Superconduttori non convenzionali

I superconduttori non convenzionali non seguono la tradizionale teoria BCS della superconduttività. Essi comprendono:

- Superconduttori a fermioni pesanti: Materiali come CeCu2Si2, dove gli elettroni si comportano come se avessero una massa estremamente elevata.

- Superconduttori organici: Materiali a base di carbonio che presentano superconduttività a basse temperature.

- Diboruro di magnesio (MgB2): Un composto semplice con una Tc di 39 K, che colma il divario tra i superconduttori convenzionali e quelli ad alta temperatura.

Applicazioni dei materiali superconduttori

Le proprietà uniche dei superconduttori hanno portato al loro utilizzo in un'ampia gamma di applicazioni in diversi settori. Di seguito sono riportate alcune delle applicazioni più significative:

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1. Imaging medico

I magneti superconduttori sono la spina dorsale delle macchine per la risonanza magnetica (MRI). I superconduttori di niobio-titanio (NbTi) sono comunemente utilizzati per generare i campi magnetici forti e stabili necessari per l'imaging ad alta risoluzione. La resistenza nulla dei superconduttori garantisce un funzionamento efficiente senza significative perdite di energia.

2. Acceleratori di particelle

I materiali superconduttori sono essenziali negli acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider (LHC) del CERN. I magneti di niobio-stagno (Nb3Sn) e niobio-titanio (NbTi) sono utilizzati per creare gli intensi campi magnetici necessari per dirigere e focalizzare i fasci di particelle a velocità prossime alla luce.

3. Trasmissione di energia

I cavi superconduttori possono trasmettere l'elettricità a resistenza zero, riducendo in modo significativo le perdite di energia rispetto ai cavi di rame convenzionali. I superconduttori ad alta temperatura come l'YBCO sono in fase di studio per l'utilizzo nelle reti elettriche superconduttrici, che potrebbero rivoluzionare la distribuzione dell'energia.

4. Treni a levitazione magnetica (Maglev)

I magneti superconduttori consentono ai treni Maglev di fluttuare al di sopra dei binari, eliminando l'attrito e permettendo di viaggiare ad altissima velocità. Il treno giapponese SC Maglev, che utilizza superconduttori YBCO, ha raggiunto velocità superiori ai 600 km/h.

5. Informatica quantistica

I materiali superconduttori sono alla base dei bit quantistici (qubit) nei computer quantistici. La giunzione Josephson, un dispositivo costituito da due superconduttori separati da un isolante, è un componente chiave dei circuiti quantistici superconduttori. Aziende come IBM e Google stanno sfruttando questa tecnologia per costruire potenti processori quantistici.

6. Immagazzinamento di energia

I sistemi SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) immagazzinano energia nel campo magnetico generato da una bobina superconduttiva. Questi sistemi possono rilasciare grandi quantità di energia quasi istantaneamente, il che li rende ideali per stabilizzare le reti elettriche e fornire energia di riserva.

7. Ricerca scientifica

I materiali superconduttori sono utilizzati in strumenti di ricerca avanzati come i dispositivi di interferenza quantistica superconduttori (SQUID), che sono magnetometri altamente sensibili in grado di rilevare campi magnetici estremamente deboli. Gli SQUID sono utilizzati in campi che vanno dalla geologia alle neuroscienze.

8. Energia da fusione

I magneti superconduttori sono fondamentali per confinare il plasma nei reattori a fusione nucleare, come il progetto ITER. I superconduttori ad alta temperatura come l'YBCO sono utilizzati per sviluppare reattori a fusione più efficienti e compatti.

9. Esplorazione spaziale

I materiali superconduttori sono utilizzati nei sistemi criogenici per telescopi e rivelatori spaziali. Ad esempio, i rivelatori superconduttori sono impiegati in astrofisica per osservare i deboli segnali di stelle e galassie lontane.

10. Applicazioni industriali

I materiali superconduttori sono utilizzati nei motori e nei generatori elettrici per applicazioni industriali. Questi dispositivi sono più efficienti e compatti rispetto alle loro controparti convenzionali, il che li rende ideali per l'uso in turbine eoliche e veicoli elettrici.

Conclusioni

Imateriali superconduttori hanno trasformato la tecnologia moderna. Dai superconduttori di tipo I alle varianti ad alta temperatura e non convenzionali, ogni classe di materiali offre proprietà e applicazioni uniche. Con l'avanzare della ricerca, i superconduttori promettono di rivoluzionare ancora più settori. Per ulteriori informazioni sui materiali avanzati, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Riferimenti:

[1] Abd-Shukor, R.. Superconduttori ad alta temperatura: Materials, Mechanisms and Applications.

[2] Chao Yao, Yanwei Ma, Materiali superconduttori: Challenges and opportunities for large-scale applications, iScience, Volume 24, Issue 6, 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004221005095