Nel 1911, il fisico Heike Kamerlingh Onnes mirava ad abbassare la temperatura del mercurio il più vicino possibile allo zero assoluto. Sperava di vincere un disaccordo con Lord Kelvin, che pensava che i metalli avrebbero smesso del tutto di condurre elettricità a temperature estremamente basse. Manipolando con cura una serie di tubi di vetro, Kamerlingh Onnes e il suo team hanno abbassato la temperatura del mercurio a 3 K (-454 F). Ad un tratto, il mercurio conduceva elettricità con resistenza zero. Kamerlingh Onnes aveva appena scoperto la superconduttività.

Questa singola scoperta ha portato a un'indagine mondiale durata un secolo. Mentre risolveva un dibattito scientifico, ne ha creati molti di più. L'Office of Science del Dipartimento dell'Energia e i suoi predecessori hanno trascorso decenni a supportare gli scienziati che indagano sul mistero del perché la superconduttività si verifica in una varietà di circostanze.

La risposta a questa domanda offre grandi opportunità per lo sviluppo scientifico e tecnologico. Circa il 6% di tutta l'elettricità distribuita negli Stati Uniti viene persa nella trasmissione e nella distribuzione. Poiché i superconduttori non perdono corrente mentre conducono elettricità, potrebbero consentire reti elettriche ultra efficienti e chip per computer incredibilmente veloci. Avvolgerli in bobine produce campi magnetici che potrebbero essere utilizzati per generatori altamente efficienti e treni a levitazione magnetica ad alta velocità. Sfortunatamente, le sfide tecniche con i superconduttori sia tradizionali che ad "alta temperatura" ne limitano l'uso.

"Nella misura in cui Tesla ed Edison, introducendo l'uso dell'elettricità, hanno rivoluzionato la nostra società, la superconduttività ambientale la rivoluzionerebbe ancora una volta, " disse J.C. Séamus Davis, un fisico che lavora con il Center for Emergent Superconductivity, un DOE Energy Frontier Research Center.

Il come e il perché della superconduttività

La scoperta di Kamerlingh Onnes ha scatenato una raffica di attività. Nonostante le sue grandi visioni, la maggior parte di ciò che gli scienziati hanno scoperto solo i limiti dei superconduttori rinforzati.

Una delle prime grandi scoperte è arrivata quasi mezzo secolo dopo la scoperta iniziale di Kamerlingh Onnes. Mentre la maggior parte dei ricercatori pensava che superconduttività e magnetismo non potessero coesistere, Alexei A. Abrikosov ha proposto superconduttori di "Tipo II" in grado di tollerare i campi magnetici nel 1952. Abrikosov ha continuato le sue ricerche presso l'Argonne National Laboratory (ANL) del DOE e in seguito ha vinto il Premio Nobel per la fisica per i suoi contributi.

Il successivo grande salto avvenne nel 1957, quando John Bardeen, Leone Cooper, e John Robert Schrieffer ha proposto la prima teoria del perché si verifica la superconduttività. La loro teoria, reso possibile dal supporto del predecessore del DOE, la Commissione per l'energia atomica, vinse anche loro il premio Nobel per la fisica.

La loro teoria contrasta il funzionamento di alcuni metalli in condizioni normali con il modo in cui agiscono a temperature estremamente basse. Normalmente, gli atomi sono impacchettati insieme nei metalli, formare reticoli regolari. Simile ai raggi e alle aste di Tinkertoys, gli ioni caricati positivamente dei metalli sono legati insieme. In contrasto, gli elettroni liberi caricati negativamente (elettroni non legati a uno ione) si muovono indipendentemente attraverso il reticolo.

Ma a temperature estremamente basse, la relazione tra gli elettroni e il reticolo circostante cambia. Una visione comune è che le cariche negative degli elettroni attraggono debolmente gli ioni positivi. Come qualcuno che tira il centro di un elastico, questa debole attrazione spinge leggermente gli ioni positivi fuori posto nel reticolo. Anche se l'elettrone originale è già passato, gli ioni positivi ora spostati attraggono poi leggermente altri elettroni. Vicino allo zero assoluto, l'attrazione degli ioni positivi fa sì che gli elettroni seguano il percorso di quelli davanti a loro. Invece di viaggiare in modo indipendente, si accoppiano in coppia. Queste coppie scorrono facilmente attraverso il metallo senza resistenza, causando la superconduttività.

Alla scoperta di nuovissimi superconduttori

Sfortunatamente, tutti i superconduttori che gli scienziati avevano scoperto funzionavano solo vicino allo zero assoluto, la temperatura più fredda teoricamente possibile.

Ma nel 1986, Georg Bednorz e K. Alex Müller di IBM hanno scoperto materiali a base di rame che diventano superconduttori a 35 K (-396 F). Altri scienziati hanno aumentato la temperatura superconduttiva di questi materiali fino a quasi 150 K (-190 F), consentendo ai ricercatori di utilizzare azoto liquido abbastanza comune per raffreddarli.

Nell'ultima decade, ricercatori in Giappone e Germania hanno scoperto altre due categorie di superconduttori ad alta temperatura. I superconduttori a base di ferro esistono in condizioni simili a quelli a base di rame, mentre quelli a base di idrogeno esistono solo a pressioni più di un milione di volte quella dell'atmosfera terrestre.

Ma le interazioni tra le coppie di elettroni e gli ioni nel reticolo metallico che Bardeen, Bottaio, e Schrieffer descritto non poteva spiegare cosa stava succedendo nei superconduttori ad alta temperatura a base di rame e ferro.

"Siamo stati gettati in un dilemma, " ha detto Peter Johnson, un fisico al Brookhaven National Laboratory (BNL) e direttore del suo Centro per la superconduttività emergente. "Questi nuovi materiali hanno sfidato tutte le nostre idee esistenti su dove cercare nuovi superconduttori".

Oltre ad essere scientificamente intrigante, questo enigma ha aperto un nuovo regno di potenziali applicazioni. Sfortunatamente, l'industria può utilizzare superconduttori "ad alta temperatura" solo per applicazioni altamente specializzate. Sono ancora troppo complesse e costose da utilizzare nelle situazioni quotidiane. Però, capire cosa li rende diversi da quelli tradizionali può essere essenziale per sviluppare superconduttori che funzionano a temperatura ambiente. Poiché non richiederebbero apparecchiature di raffreddamento e potrebbe essere più facile lavorarci, i superconduttori a temperatura ambiente potrebbero essere più economici e più pratici di quelli disponibili oggi.

Una caratteristica condivisa

Diverse serie di esperimenti supportati dall'Office of Science ci stanno avvicinando alla scoperta di cosa, se qualcosa, hanno in comune i superconduttori ad alta temperatura. L'evidenza suggerisce che le interazioni magnetiche tra gli elettroni possono essere essenziali per il motivo per cui si verifica la superconduttività ad alta temperatura.

Tutti gli elettroni hanno uno spin, creando due poli magnetici. Di conseguenza, gli elettroni possono agire come minuscoli magneti da frigorifero. In condizioni normali, questi poli non sono orientati in un modo particolare e non interagiscono. Però, i superconduttori a base di rame e ferro sono diversi. In questi materiali, gli spin su siti di ferro adiacenti hanno poli nord e sud che si alternano in direzioni - orientate a nord, Sud, nord, sud e così via.

Un progetto sostenuto dal Center for Emergent Superconductivity ha esaminato in che modo l'ordinamento di questi poli magnetici ha influenzato le loro interazioni. Gli scienziati hanno teorizzato che poiché i poli magnetici puntavano già in direzioni opposte, sarebbe più facile del solito per gli elettroni accoppiarsi. Per testare questa teoria, correlavano sia la forza dei legami tra gli elettroni (la forza delle coppie di elettroni) sia la direzione del loro magnetismo. Con questa tecnica, hanno fornito prove sperimentali significative della relazione tra superconduttività e interazioni magnetiche.

Altri esperimenti in diversi laboratori nazionali del DOE hanno ulteriormente rafforzato questa teoria. Queste osservazioni hanno soddisfatto le aspettative degli scienziati su cosa dovrebbe accadere se la superconduttività e il magnetismo sono collegati.

I ricercatori dell'ANL hanno osservato che un superconduttore a base di ferro attraversa più fasi prima di raggiungere uno stato superconduttore. Mentre gli scienziati raffreddavano il materiale, gli atomi di ferro sono passati da una struttura quadrata a una rettangolare e poi di nuovo a una quadrata. Lungo la strada, c'è stato un grande cambiamento nei poli magnetici degli elettroni. Mentre erano originariamente casuali, hanno assunto un ordine specifico subito prima di raggiungere la superconduttività.

Al laboratorio Ames del DOE, i ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta o la rimozione di elettroni da un materiale superconduttore a base di ferro ha cambiato la direzione in cui l'elettricità scorreva più facilmente. I ricercatori della BNL hanno osservato che superconduttività e magnetismo non solo coesistono, ma ma in realtà fluttuano insieme secondo uno schema regolare.

Sfortunatamente, La natura complessa delle interazioni degli elettroni rende difficile individuare esattamente quale ruolo svolgono nella superconduttività.

La ricerca presso BNL ha scoperto che mentre gli scienziati raffreddavano un materiale a base di ferro, le direzioni degli spin degli elettroni e la loro relazione reciproca cambiarono rapidamente. Gli elettroni si sono scambiati partner proprio prima che il materiale diventasse superconduttore. Allo stesso modo, la ricerca presso l'ANL ha dimostrato che gli elettroni nei superconduttori a base di ferro producono "onde" di magnetismo. Poiché alcune delle onde magnetiche si annullano a vicenda, solo la metà degli atomi dimostra magnetismo in qualsiasi momento.

Questi risultati stanno fornendo nuove informazioni sul perché i superconduttori si comportano in quel modo. La ricerca ha risposto a molte domande su di loro, solo per allevarne di nuovi. Mentre i laboratori hanno fatto molta strada dalle apparecchiature soffiate a mano di Kamerlingh Onnes, gli scienziati continuano a discutere molti aspetti di questi materiali unici.