La tecnica "Speedster" che sta superando i limiti dei superconduttori

Ok, devo parlarvi di qualcosa di veramente entusiasmante nel mondo della fisica, e prometto che lo renderò comprensibile anche se non avete prestato attenzione durante le lezioni di chimica.

I superconduttori sono, in sostanza, le rockstar della scienza dei materiali. Quando si raffreddano determinati materiali a temperature incredibilmente basse (parliamo di temperature più fredde dello spazio profondo), accade qualcosa di magico: la resistenza elettrica scende letteralmente a zero. Zero! Ciò significa che l'elettricità può fluire attraverso di essi per sempre senza perdere alcuna energia. Niente calore, niente sprechi, solo un flusso puro e perfetto.

Normalmente, gli elettroni sono come automobilisti impazienti che cercano di infilarsi in un'autostrada affollata. Sbattono contro gli atomi, perdono energia, generano calore e, in generale, causano ingorghi. Ma nei superconduttori, gli elettroni si accoppiano formando quelli che vengono chiamati "coppie di Cooper" e iniziano a muoversi in sincronia — quasi come una troupe di ballerini perfettamente coreografati invece di ballerini individuali caotici.

Ecco il problema

Questi superconduttori, però, hanno un punto debole. Hanno un limite di corrente elettrica che possono sopportare prima che le cose vadano fuori controllo. Gli scienziati chiamano questo limite "corrente critica" — pensatelo come il carico di lavoro massimo del materiale prima che inizi a faticare.

Nella maggior parte dei casi, i superconduttori non falliscono a causa di un limite fisico fondamentale. Falliscono a causa di qualcosa chiamato vortici — minuscole regioni in cui i campi magnetici si insinuano nel materiale. Quando si spinge troppa corrente, questi vortici iniziano a muoversi, creando attrito e calore, e alla fine l'intero sistema crolla.

È come avere una pista di pattinaggio sul ghiaccio perfettamente liscia, tranne per il fatto che qualcuno ha sparso un sacco di chiazze appiccicose che ti rallentano quando ti muovi troppo velocemente.

La soluzione intelligente

Ed è qui che la cosa si fa interessante (gioco di parole intenzionale).

Un team del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter ha deciso di "barare". Invece di spingere lentamente la corrente attraverso il superconduttore, lo hanno colpito con brevissimi impulsi di elettricità — parliamo di picosecondi. Un picosecondo è un millionesimo di miliardesimo di secondo. Per riferimento, un battito di ciglia contiene circa 30 trilioni di picosecondi.

La logica? I vortici possono muoversi solo fino a una certa velocità (decine di chilometri al secondo) e, in un picosecondo, si muovono appena — parliamo di distanze di soli nanometri. Fornendo l'impulso elettrico in una finestra temporale così minuscola, i ricercatori sono riusciti ad aumentare la corrente a livelli estremi prima che i vortici avessero il tempo di creare problemi.

Eryin Wang, l'autore principale, lo descrive perfettamente: "La nostra strategia è stata quella di superare la dinamica dei vortici".

È come se potessi correre attraverso un campo minato così velocemente che le mine non hanno il tempo di esplodere. Tecnicamente stai ancora camminando attraverso lo stesso spazio pericoloso, ma semplicemente non dai agli ostacoli la possibilità di attivarsi.

Due materiali, due personalità completamente diverse

I ricercatori hanno testato due diversi superconduttori per vedere come avrebbero reagito a questo approccio "demone della velocità": NbN e YBCO.

Il NbN si è comportato come qualcuno con un punto di rottura molto chiaro. È rimasto superconduttore fino a una soglia specifica e poi, improvvisamente e drasticamente, si è fermato. Le coppie di Cooper si sono essenzialmente frantumate tutte in una volta. È stato un fallimento netto e decisivo, come una corda che finalmente si spezza sotto troppa tensione.

L'YBCO, d'altra parte, ha avuto un declino più lento. La sua superconduttività si è indebolita progressivamente all'aumentare della corrente. Questo perché l'YBCO ha una struttura interna più complessa: le sue proprietà superconduttive variano a seconda della direzione in cui vengono misurate, un po' come il legno è più resistente lungo la venatura che contro di essa.

Perché è importante

Ecco la parte davvero fantastica: utilizzando questi impulsi ultraveloci, gli scienziati possono ora accedere ai veri limiti fondamentali della superconduttività — quello che chiamano "corrente di dissociazione" (depairing current). Questo è il punto in cui le coppie di Cooper stesse iniziano a separarsi, non solo il punto in cui i vortici causano problemi.

Comprendere questo potrebbe portare a superconduttori migliori per ogni tipo di applicazione: macchine per la risonanza magnetica più potenti, computer quantistici più veloci, linee di trasmissione di energia più efficienti e persino treni maglev che fluttuano su campi magnetici.

Non stiamo solo spingendo i materiali esistenti oltre il loro limite: stiamo scoprendo una fisica completamente nuova che era nascosta proprio fuori dalla nostra portata.

E onestamente? È davvero entusiasmante.

Fonte: ScienceDaily