Superconduttività e ferro: un matrimonio quasi perfetto

TRIESTE – Scoprire e realizzare materiali superconduttori a temperatura ambiente, per il trasporto di corrente elettrica senza sprechi di energia, con diversi e promettenti impieghi possibili: dai treni a levitazione magnetica superveloci alle tecniche di risonanza magnetica per scopi diagnostici in campo medico, fino ai supercomputer di nuova generazione. Questa è una sfida che impegna ricercatori di tutto il mondo, anche alla Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di Trieste.
Massimo Capone e Gianluca Giovannetti, fisici del gruppo di ricerca Sissa-Democritos, spiegano in un articolo appena pubblicato su Nature Communications che una transizione di fase estremamente anomala è alla base delle proprietà dei superconduttori basati sul ferro (LaFeAsO). «Si tratta di un materiale complesso, costituito da atomi di Lantanio (La), Ferro (Fe), Arsenico (As) e Ossigeno (O)» precisano.

Lo studio delle proprietà magnetiche di questa famiglia di superconduttori ha messo in luce che la capacità di condurre elettricità, ad alta temperatura, senza incontrare resistenza o produrre calore è connessa alla presenza di un punto tricritico quantistico: uno stato della materia che si riscontra quando il materiale si trova in corrispondenza di una fase di transizione da uno stato quantistico a un altro e, in particolare, quando allo zero assoluto (circa 273 gradi sotto lo zero) tre diverse fasi della materia diventano indistinguibili, in modo analogo a quanto succede per l’acqua, ma a temperature alte, quando vapore, liquido e gas coesistono.
I risultati ottenuti — frutto della collaborazione tra i ricercatori dell’unità Sissa-Democritos presso l'Istituto Officina dei Materiali del Cnr, dell’Istituto dei sistemi complessi di Roma, dell’Institute for Theoretical Solid State Physics di Dresda e dell’Università di Vienna — suggeriscono che sono proprio gli effetti quantistici associati a questa transizione a favorire la superconduttività alle alte temperature: fino a 56°kelvin per questi composti (-217°C).
Ora, grazie a questa scoperta si aprono nuove opportunità di ricerca. I punti critici quantistici determinano infatti le diverse fasi magnetiche di questi materiali. «Ora dobbiamo comprendere se agendo su queste criticità sarà possibile manipolare le loro caratteristiche e favorire una migliore conduzione di elettricità» commenta Capone, fisico romano, dal 2009 ricercatore nel gruppo Sissa–Democritos.

«La ricerca di superconduttori a base di ferro in grado di trasportare corrente elettrica a una temperatura prossima a quella ambiente è tuttora un tema molto caldo e dibattuto. I risultati sono particolarmente attesi con la prospettiva di poter applicare il fenomeno della superconduttività su larga scala ed evitare, di conseguenza, la grossa dispersione termica associata all’impiego dei conduttori convenzionali» precisa Giovannetti.

Superconduttività. La superconduttività, scoperta nel 1911 da Heike Kamerlingh Onnes, è la proprietà di alcuni sistemi che, raffreddati a temperature molto basse, permettono il passaggio di corrente elettrica senza dissipare energia in forma di calore, come invece avviene per tutti i metalli con i quali vengono realizzati i comuni cavi elettrici. «È un fenomeno straordinario che avviene a temperature particolarmente basse: infatti i superconduttori ordinari trasportano corrente elettrica senza surriscaldarsi e perdere energia quando vengono raffreddati quasi fino allo zero assoluto: teoricamente la temperatura più bassa che si possa raggiungere, parliamo di circa -273°C» precisa Capone, che nel 2009 ha vinto un importante finanziamento del Consiglio europeo della ricerca per il progetto Superbad, sul tema della superconduttività ad alta temperatura critica. Nel 2008 la scoperta della superconduttività del composto LaFeAsO a temperature critiche di 26°Kelvin, al di sopra dunque delle zero assoluto, ha riaperto la caccia ai superconduttori in grado di funzionare e trasportare corrente elettrica a temperature più vicine all’esperienza quotidiana.

Transizioni di fase. La vita di ogni giorno ci mostra molteplici esempi di transizioni di fase: ossia di cambiamenti nello stato di un sistema al variare della temperatura o di altri parametri rilevanti come la pressione, la concentrazione chimica, il campo magnetico. Per esempio l'acqua è liquida a temperatura ambiente, diventa ghiaccio a bassa temperatura mentre ad alta temperatura diventa gassosa. «L'evaporazione dell'acqua o la sua solidificazione in ghiaccio non sono che due esempi di transizioni di fase che influenzano in modo fondamentale la nostra vita» dichiara Capone.
Una transizione di fase consiste quindi nel passaggio tra due fasi in cui la materia assume proprietà diverse. All’aumentare della temperatura le due fasi tendono in generale a diventare sempre più simili, fino a un punto, detto critico, in cui coincidono. Mentre nei sistemi classici la variabile cruciale per determinare la presenza di un punto critico è la temperatura, per i sistemi quantistici, come i solidi a bassa temperatura, si possono raggiungere punti critici anche quando la temperatura è allo zero assoluto. In questo caso si parla di transizioni di fase quantistiche e di punti critici quantistici.
«Vicino a un punto critico quantistico, quando il sistema è «indeciso» tra due fasi molto simili, possono verificarsi fenomeni anomali: la superconduttività, per esempio, ne risulta favorita. Con questo studio noi abbiamo mostrato che un superconduttore basato sul ferro si trova vicino a un punto tricritico, con effetti ancora più significativi sulla superconduttività» concludono.
Hanno lavorato a questa ricerca pubblicata su Nature Communications Gianluca Giovannetti, Carmine Ortix, Martijn Marsman, Massimo Capone, Jeroen van den Brink e José Lorenzana.