Riccardo Comin (a sinistra), un assistente professore di fisica, e lo studente laureato in fisica Abraham Levitan assemblano i contatti su un supporto per campioni che useranno per studiare gli effetti dell'alta corrente sul materiale superconduttore ossido di rame e bario di ittrio, nello spettrometro ottico criogenico visto in primo piano. La configurazione consente ai ricercatori di eseguire la spettroscopia Raman fino a 4 kelvin sotto una tensione, o corrente, pregiudizio. Credito:Denis Paiste/Laboratorio di ricerca sui materiali
Risonanza magnetica medica, generatori di microonde ad alta potenza, unità di accumulo di energia magnetica superconduttiva, e i solenoidi nei reattori a fusione nucleare sono tecnologie molto diverse che si basano tutte sulla capacità dei materiali superconduttori di trasportare e immagazzinare grandi correnti elettriche in uno spazio compatto senza surriscaldarsi o dissipare grandi quantità di energia.
Nonostante le loro straordinarie proprietà, la maggior parte dei materiali superconduttori presenta una propria serie di richieste, come la necessità di raffreddarsi alla temperatura dell'elio liquido per le risonanze magnetiche mediche. Ancora, i superconduttori sono così efficienti rispetto ai materiali di uso quotidiano come il rame che il costo del loro raffreddamento con speciali circuiti criogenici è irrisorio rispetto all'energia risparmiata dalla conversione - e alla fine sprecata - sotto forma di calore, dice Riccardo Comin, un assistente professore di fisica.
"Quando stai cercando di far passare una grande corrente attraverso un circuito convenzionale come uno fatto di rame, ci sarà molta dissipazione in calore a causa della resistenza elettrica finita del materiale, " dice. "E questa è l'energia che va semplicemente persa. Poiché i superconduttori possono supportare il flusso di elettroni senza dissipazione, ciò significa che puoi eseguire correnti molto grandi, note come supercorrenti, attraverso un superconduttore, senza che il superconduttore raggiunga temperature elevate."
"Puoi iniettare una corrente in un superconduttore e poi lasciarla fluire, "Comin dice. "Allora, un superconduttore può agire fondamentalmente come una batteria, ma invece di immagazzinare energia come differenza di tensione, che è quello che hai in una batteria agli ioni di litio, immagazzini energia sotto forma di supercorrente. Quindi puoi estrarre e utilizzare quella corrente, ed è come estrarre la carica da una batteria."
Ciò che distingue un superconduttore da un conduttore convenzionale è che, in quest'ultimo, devi applicare un potenziale tra due punti diversi per far passare una corrente, ma nel primo, puoi semplicemente mettere in moto la corrente e poi togliere la tensione, lasciare il sistema così com'è, e ci sarà una corrente persistente che scorre attraverso il materiale.
Comin spiega ulteriormente:"Hai avviato una mozione, o flusso, di elettroni, che durerà per sempre, protetto dalla dissipazione dalle leggi della meccanica quantistica. È superfluido nel senso che il flusso di elettroni non incontra resistenza, o attrito. Anche se rimuovi la sorgente iniziale che ha creato quel flusso, continuerà senza sosta come in un fluido elettronico senza attrito."
Questa superfluidità elettronica è uno stato quantico della materia, quindi si comporta in un modo molto esotico che è diverso dalla fisica classica, Comin dice. È già utilizzato in molte applicazioni ad alta potenza che richiedono grandi correnti o grandi campi magnetici.
Poiché i superconduttori possono sostenere correnti molto elevate, possono immagazzinare molta energia in un volume relativamente piccolo. Ma anche i materiali superconduttori non possono sostenere correnti elettriche illimitate, e possono perdere le loro proprietà speciali al di sopra di una densità di corrente critica, che supera i 10 mega-ampere per centimetro quadrato per i cavi superconduttori di ultima generazione. A confronto, il rame può trasportare una densità di corrente massima di 500 ampere per centimetro quadrato, che è uguale alla densità di corrente passata attraverso una lampadina a filo di tungsteno da 100 watt.
Mentre queste correnti critiche in cui la superconduttività si disattiva sono note, cosa succede su scala nanometrica all'interno del materiale mentre si avvicina a quella condizione critica è ancora sconosciuto, tuttavia potrebbe contenere la chiave per progettare cavi e dispositivi superconduttori migliori, con una resilienza ancora maggiore.
Comin è stato uno dei tre ricercatori del MIT a vincere una borsa di studio per il programma di ricerca per giovani ricercatori dell'aeronautica americana questo autunno. Il triennio, $ 450, 000 consentirà a Comin di proseguire la ricerca su ciò che accade a un particolare materiale superconduttore, ossido di ittrio bario rame (YBCO) quando è guidato a grandi correnti.
"Studiare la risposta elettrica di un superconduttore mentre si fa passare una grande corrente attraverso di esso è essenziale per caratterizzare i circuiti superconduttori, ma ci sono molte informazioni microscopiche su ciò che sta accadendo all'interno del materiale che è rimasto da rivelare, " dice. "La fisica su scala nanometrica dei superconduttori in condizioni operative, vale a dire quando le grandi correnti sono passate attraverso di loro, è esattamente ciò che ci interessa chiarire".
"Questa è in un certo senso una nuova direzione in cui non stiamo solo studiando il materiale nel suo stato indisturbato, diciamo, proprio in funzione della temperatura, ma senza applicare alcun tipo di perturbazione come una corrente o un campo. Ora ci stiamo muovendo in una direzione in cui stiamo studiando cosa succede nei materiali mentre vengono guidati in condizioni di grandi correnti, che sono molto simili a quelli che si troverebbero all'interno di un dispositivo o di una macchina basata su questi circuiti superconduttori, "Comin spiega.
A differenza delle leghe niobio-stagno che richiedono il raffreddamento con elio liquido (circa 4 kelvin) nelle macchine per risonanza magnetica, YBCO superconduce alla temperatura leggermente più alta dell'azoto liquido. Questo è significativo perché l'azoto liquido (circa 77 kelvin, o -320,4 gradi Fahrenheit) è sia più abbondante che notevolmente più economico da usare dell'elio, Comin dice.
Ma c'è un altro prezzo da pagare. Rispetto a un metallo convenzionale o un conduttore come il rame, che è duttile e facilmente modellabile, YBCO è una ceramica fragile che deve essere colata in strati bidimensionali su una base simile ai vecchi nastri per la registrazione di cassette.
"Ha una struttura a strati, quindi forma fogli atomici bidimensionali che sono debolmente accoppiati tra loro, ed è molto diverso da come sarebbe un metallo convenzionale, " Dice Comin. Comin studierà il materiale nel suo laboratorio al MIT e ai National Laboratories mentre viene applicata una corrente elevata intorno o addirittura al di sotto delle temperature dell'azoto liquido.
Sebbene la superconduttività prenda il sopravvento alla temperatura dell'azoto liquido, poiché il materiale è soggetto a campi elettrici sempre più grandi, altri stati elettronici, o fasi, come un'onda di densità di carica, iniziano a competere con la superconduttività prima che cessino.
"Quando inizi a indebolire la superconduttività, altre fasi elettroniche iniziano a svegliarsi e fanno a gara per prendere il controllo del materiale, " dice. Ha in programma di esplorare come l'equilibrio si sposti tra la fase superconduttiva e queste altre fasi parassite, poiché la superconduttività si indebolisce alle alte correnti.
"Queste (altre fasi) iniziano a prendere il sopravvento o rimangono dormienti?" chiede Comin. "In un caso, gli elettroni vogliono fluire senza dissipazione, e nell'altro caso, sono bloccati sul posto e non possono muoversi, come un'auto in un ingorgo".
Invece di potersi muovere liberamente come fanno in un superconduttore, senza alcuna dissipazione, gli elettroni in un'onda di densità di carica tendono a sedersi in alcune regioni e a rimanere lì.
"Ci sono alcune regioni che hanno più elettroni, alcune altre regioni che hanno meno elettroni, quindi se provi a visualizzare l'organizzazione spaziale di questi elettroni, vedi che si muove come un'onda, " Spiega Comin. "Si può immaginare un paesaggio di increspature di sabbia su una duna. Ciò che spinge gli elettroni a organizzarsi in uno stato superfluido piuttosto che a formare questi stati statici, gli schemi ondulatori non sono realmente noti ed è ciò che speriamo di scoprire in quelle condizioni critiche in cui il superconduttore inizia a cedere a queste altre tendenze in competizione".
L'obiettivo finale di questo sforzo di ricerca è chiarire come una corrente persistente, o supercorrente, flussi intorno a regioni non superconduttrici che ospitano fasi concorrenti, quando questi iniziano a proliferare in prossimità di condizioni critiche.
"In questo progetto, sostenuto dall'Ufficio per la Ricerca Scientifica dell'Aeronautica Militare, speriamo di ottenere nuove conoscenze sulla fisica su scala nanometrica di questi dispositivi superconduttori, intuizioni che potrebbero essere trasferite su future tecnologie dei superconduttori, "Comin dice.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
