Da oltre 65 anni, il boruro di niobio (NbB) è stato considerato un classico esempio di materiale superconduttore. Questa ipotesi, registrati in manuali di fisica della materia condensata e articoli su riviste scientifiche, è stato ora contestato in uno studio condotto da ricercatori dell'Università di São Paulo (USP) in Brasile e della San Diego State University negli Stati Uniti.
In un articolo pubblicato su Materiali per la revisione fisica , i ricercatori mostrano che la superconduttività rilevata finora non era dovuta a NbB. Le proprietà superconduttive erano associate a filamenti di niobio quasi puro che si snodavano attorno ai grani di NbB nei campioni studiati.
Il ricercatore principale per lo studio è stato Renato de Figueiredo Jardim dell'Università di São Paulo. "Sappiamo che l'elemento niobio (Nb) da solo è superconduttivo quando viene raffreddato a temperature molto basse nell'intervallo di 9,2 kelvin, " disse Jardim. "Ora, abbiamo scoperto che questo non è il caso di NbB. I campioni di NbB contengono una grande frazione volumetrica di NbB ma anche una piccola quantità di Nb quasi puro. Nei materiali studiati coesistono due distinte fasi cristalline. Questa fase minoritaria, comprendente circa il 98% di niobio e il 2% di boro, è ciò che si comporta come un superconduttore."
Nelle immagini al microscopio elettronico riprodotte nell'articolo, i filamenti bianchi corrispondono alla fase minoritaria costituita da circa il 98% di niobio e il 2% di boro. La notazione utilizzata per caratterizzare questa composizione è Nb 0,98 B 0.02 . Le zone grigie, corrispondente alla frazione volumetrica maggiore, sono NbB.
Gli autori osservano che anche se avviene in una piccola frazione volumetrica, la fase di minoranza (Nb 0,98 B 0.02 ) è superconduttivo e forma una maglia tridimensionale attraverso la quale la corrente elettrica può transitare da un'estremità all'altra del materiale. È molto probabile che questa caratteristica abbia fuorviato i ricercatori che in precedenza avevano studiato NbB, che quindi trovarono il materiale superconduttivo a temperature inferiori a circa 9 kelvin.
Come spiega Jardim, l'identificazione della struttura reticolare NbB mediante microscopia elettronica a scansione ha fornito una prova qualitativa della proprietà basata su prove visive. "Ma questo punto da solo non era sufficiente per confermare la nostra ipotesi, ", ha osservato. "Abbiamo dovuto andare oltre alla ricerca di prove quantitative. Lo abbiamo fatto applicando un modello termodinamico ai dati presi dai materiali studiati, e in questo modo, abbiamo ottenuto la prova che cercavamo."
Dal punto di vista macroscopico, la superconduttività è una proprietà di alcuni materiali che, quando raffreddato al di sotto di una data temperatura, condurre elettricità senza alcuna perdita di energia, vale a dire, con resistenza elettrica nulla.
Le applicazioni tecnologiche della superconduttività sono oggi abbastanza conosciute. L'applicazione principale è nelle bobine realizzate con filo superconduttore. Quando una tale bobina è raffreddata e isolata termicamente, una corrente elettrica applicata lo attraversa indefinitamente, generando campi magnetici senza dissipazione di energia. Questo tipo di dispositivo viene utilizzato nelle apparecchiature per la risonanza magnetica (MRI), che è diventato un luogo comune.
"La tecnologia è molto avanzata negli ultimi anni, " ha detto Jardim. "Un tipo speciale di pallone da vuoto chiamato dewar viene utilizzato per la conservazione criogenica con una temperatura interna a livello di elio liquido, che è 4,2 kelvin (circa meno 270 °C). Questi dewar sono disponibili in commercio e possono essere utilizzati per refrigerare bobine superconduttrici".
Secondo Jardim, non sono attualmente previste applicazioni tecnologiche per NbB. Però, lui dice, "Un 'cugino' di NbB, diboruro di magnesio (MgB 2 ), ha suscitato un forte interesse fin dall'ultimo decennio. La nostra ricerca può contribuire alla sua applicazione tecnologica."
Superconduttori e diamagnetismo
Accanto a questa proprietà macroscopica, Jardim dice, c'è un'altra proprietà macroscopica chiamata "perfetto, " per cui il campo magnetico interno del superconduttore è completamente escluso quando il materiale è posto in un campo magnetico esterno.
Il diamagnetismo è presente in tutti i materiali. Però, è spesso così debole che la sua manifestazione è mascherata da altro, risposte magnetiche più robuste, come il ferromagnetismo, in cui il materiale è attratto da un campo magnetico esterno, e paramagnetismo, in cui i dipoli magnetici atomici del materiale si allineano parallelamente al campo magnetico esterno.
Quando la risposta diamagnetica è sufficientemente forte, come in un superconduttore, la repulsione dovuta al campo magnetico può far levitare il materiale. Questo fenomeno è recentemente diventato famoso. "Il diamagnetismo può essere visto come la generazione di una corrente sulla superficie del materiale che si traduce in un campo magnetico della stessa grandezza del campo magnetico esterno che viene applicato ma che agisce nella direzione opposta. È come se il materiale espellesse dal suo all'interno del campo magnetico in cui è immerso, "Spiega Jardim.
