1. Superare l'energia termica:
A temperature più elevate, l’energia termica (l’energia associata al movimento casuale di atomi ed elettroni) tende a interrompere la formazione e il mantenimento delle coppie di Cooper. Queste coppie di Cooper sono coppie di elettroni che si formano a causa di interazioni attrattive e sono responsabili del trasporto senza perdite di corrente elettrica nei superconduttori. L'energia termica può spezzare queste coppie di Cooper, ostacolando la superconduttività. Quando la temperatura diminuisce, l'agitazione termica si riduce, rendendo più facile per le coppie di Cooper rimanere legate e per il verificarsi della superconduttività.
2. Interazioni elettrone-fonone:
Nei superconduttori convenzionali, l'interazione tra elettroni e vibrazioni reticolari (fononi) gioca un ruolo cruciale nella formazione delle coppie di Cooper. Queste interazioni elettrone-fonone generano una forza attrattiva tra gli elettroni, consentendo loro di superare la reciproca repulsione coulombiana e formare coppie. Tuttavia, l’efficacia di queste interazioni dipende dalla temperatura. A temperature più elevate, le vibrazioni del reticolo sono più intense, portando ad una maggiore dispersione degli elettroni e a ridotte interazioni tra elettroni e fononi. Questo indebolimento dell’accoppiamento elettrone-fonone rende più difficile raggiungere la superconduttività.
3. Teoria BCS e gap energetico:
La teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), che fornisce la spiegazione microscopica della superconduttività convenzionale, prevede che lo stato superconduttore sia caratterizzato da un gap energetico (Δ) al di sotto dell'energia di Fermi. Questo gap energetico rappresenta la quantità minima di energia richiesta per spezzare una coppia di Cooper ed eccitare il sistema dal suo stato fondamentale superconduttore. A temperature più elevate, le fluttuazioni termiche possono fornire energia sufficiente per superare questo divario energetico, portando alla distruzione della superconduttività. Al diminuire della temperatura, le fluttuazioni termiche diventano meno energetiche, rendendo più difficile la rottura delle coppie di Cooper e quindi migliorando la stabilità dello stato superconduttore.
4. Temperatura critica (Tc):
Ogni superconduttore ha una temperatura critica caratteristica (Tc) al di sopra della quale perde le sue proprietà superconduttrici e passa allo stato normale non superconduttore. Tc rappresenta la temperatura massima alla quale la superconduttività può essere sostenuta. Il valore di Tc varia ampiamente tra i diversi superconduttori, da pochi Kelvin (K) a temperature più elevate. Maggiore è la temperatura critica, più resistente è il superconduttore alle interruzioni termiche, consentendogli di mostrare superconduttività a temperature relativamente più elevate.
Questi fattori spiegano collettivamente perché i superconduttori in genere richiedono basse temperature per mostrare le loro proprietà caratteristiche. Il raggiungimento della superconduttività a temperature più elevate rimane un'area di ricerca attiva e racchiude un potenziale significativo per varie applicazioni tecnologiche.
