La superconduttività ad alte temperature critiche studia materiali che si comportano come superconduttori anche a temperature superiori a circa , ossia con temperatura critica Tc maggiore di 77 K, a differenza dei superconduttori ordinari che, a pressioni ordinarie, si comportano come tali solo a temperature inferioriI superconduttori con elementi del gruppo 15 hanno temperature critiche inferiori a ma sono comunque chiamati in alcune pubblicazioni ad "alta temperatura": e . Il limite di è stato scelto in quanto è la temperatura più bassa raggiungibile con l'azoto liquido, uno dei refrigeranti più utilizzati nell'ambito della criogenia, e quindi tali materiali necessitano una tecnologia di raffreddamento meno costosa di quelli ordinari. Nessun superconduttore ad alta temperatura noto funziona a temperatura e pressione ambiente e quindi tutti richiedono un sistema di raffreddamento.
Il primo superconduttore ad alta temperatura critica è stato scoperto nel 1986 dai ricercatori IBM Bednorz e Müller, che nel 1987 hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica "per la loro importante svolta nella scoperta della superconduttività nei materiali ceramici".
Il superconduttore scoperto da Bednorz e Müller era un cuprato, un gruppo di materiali che solo dopo qualche decennio dalla scoperta, sono diventati adatti ad un uso pratico e che possono raggiungere una temperatura critica di . Tuttavia, essendo ceramici e non metallici come i superconduttori ordinari, presentano ancora molti problemi di fabbricazione e vengono usati con successo solo in pochi casi. Infatti, le ceramiche sono fragili, quindi è difficile trasformarle in fili.
Dal punto di vista dei materiali, oltre ai cuprati, un secondo tipo rilevante è quello costituito da composti ferrosi. Inoltre esistono altri materiali impropriamente inclusi nei superconduttori ad alta temperatura come il diboruro di magnesio, che talvolta è considerato tale anche se ha una temperatura critica di solo .
Molti superconduttori ceramici si comportano fisicamente come superconduttori del secondo tipo, ossia, contrariamente ai superconduttori del primo tipo che espellono completamente i campi magnetici (effetto Meissner), essi consentono a tali campi di penetrare al loro interno in unità di flusso quantizzate, creando vortici nel campo (flussoni) che consentono di mantenere la superconduttività anche in presenza di campi magnetici elevati, oltre 100 T. Non sono però adatti per applicazioni come i magneti per gli spettrometri di massa, che richiedono correnti elettriche elevate, infatti, la capacità di sopportare densità di corrente elevate è una terza proprietà ricercata insieme all'elevata temperatura critica e la resistenza a campi magnetici intensi.
Dal 2015 si sono cominciati a scoprire composti a base di idrogeno (idruri), in grado di mantenere la superconduttività a temperatura ambiente, al prezzo però di pressioni elevatissime, dell'ordine di centinaia di GPa, quasi un milione di volte la pressione atmosferica..
Il superconduttore a pressione ambiente con la più alta temperatura critica ad oggi noto è il cuprato di mercurio, bario e calcio, a circa .
Storia
La superconduttività fu scoperta da Kamerlingh Onnes nel 1911, portando il mercurio a temperature inferiori a . Da allora, i ricercatori hanno tentato di osservare la superconduttività a temperature crescenti con l'obiettivo di trovare un superconduttore a temperatura ambiente. Tra il 1946 e il 1973, vennero scoperti diversi composti metallici a base di niobio, come NbTi, Nb3Sn e Nb3Ge, che, oltre alla capacità di sopportare campi magnetici superiori a 10 tesla, avevano temperature critiche molto più elevate di quelle dei metalli elementari, arrivando a superare i .
Nel 1957 venne fornita la prima spiegazione a tale fenomeno mediante la teoria BCS.
Nel 1986, presso il laboratorio di ricerca IBM vicino a Zurigo, in Svizzera, Bednorz e Müller cercarono la superconduttività in una nuova classe di ceramiche: gli ossidi di rame o cuprati. Bednorz scoprì un particolare ossido di rame la cui resistenza scese a zero a una temperatura intorno a . I loro risultati furono presto confermatiStuart A Wolf & Vladimir Z Kresin, Eds, Novel Superconductivity, Springer (October 1987) da molti gruppi, in particolare Paul Chu all'università di Houston e Shoji Tanaka all'università imperiale di Tokyo.
Tali risultati non erano spiegabili nell'ambito della teoria BCS, considerata valida fino a massimo 25-30 K, ma l'anno successivo, all'università di Princeton, Philip Anderson diede una prima descrizione teorica di questi materiali, basata sulla teoria del legame di valenza risonante (teoria RVB). Sempre nel 1987 Bickers, Scalapino e Scalettar proposero che il fenomeno potesse essere spiegato supponenedo che anche qui, come nella teoria BCS, si formino coppie di elettroni (coppie di Cooper) ma il loro legame sia descritto dalle funzioni d'onda degli orbitali atomici d (con numero quantico orbitale l=2), anziché da quelli s (con numero quantico orbitale l=0), come nella teoria BCS base. Nel 1988 tre successive teorie furono proposte: da Inui, Doniach, Hirschfeld e Ruckenstein, usando la teoria della flutuazione dello spin; da Gros, Poilblanc, Rice e Zhang; da Kotliar e Liu, identificando la funzione d'onda d come conseguenza naturale della teoria RVB. La conferma del fatto che la funzione d'onda d sia alla base dei superconduttori a cuprati è stata ottenuta con una serie di verifiche sperimentali sulla presenza di tali configurazioni, tra cui l'osservazione diretta dei nodi di tali funzioni (punti in cui le funzioni si annullano e che non sono presenti nel caso di funzioni s) nello spettro di eccitazione attraverso la spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo, l'osservazione di flussi magnetici a quantizzazione semi intera in esperimenti di tunneling e indirettamente dalla dipendenza della temperatura dalla profondità di penetrazione, calore specifico e conducibilità termica.
Nel 2001 si è scoperto che il diboruro di magnesio è superconduttore a , ma le cause sono state ricondotte alla teoria BCS.
Nel 2006 si è soperto il primo materiale superconduttore composto da ferro anziché rame, con una temperatura critica di .
Dal 2015 si sono cominciati a scoprire composti a base di idrogeno, in grado di raggiungere la superconduttività a temperatura ambiente ma a pressioni elevatissime, dell'ordine di centinaia di GPa (milioni di volte la pressione atmosferica). Nel 2019 si è raggiunta una temperatura critica di nel LaH10, un super-idruro del lantanio, a una pressione superiore a 100 GPa, e nel 2020, utilizzando al posto del lantanio, carbonio e zolfo, la temperatura di a una pressione di 267 GPa, oltre 2,6 milioni di volte la pressione atmosferica, anche se quest'ultimo risultato è stato messo in discussione.
Il superconduttore a pressione ambiente con la più alta temperatura di transizione ad oggi noto è il cuprato di mercurio, bario e calcio, a circa .
Materiali Cuprati
Per cuprati si intende una vasta gamma di materiali. Quelli con proprietà superconduttive sono materiali ceramici stratificati, normalmente isolanti e antiferromagnetici, costituiti da strati di ossido di rame (CuO2), separati da strati distanziatori. Le loro proprietà superconduttive sono determinate dagli elettroni che si muovono tra gli strati di ossido di rame, mentre gli strati distanziatori contengono ioni come lantanio, bario, stronzio o altri atomi che rendono stabile la struttura e diffondono elettroni o lacune tra gli strati di ossido di rame.
I meccanismi che portano alla superconduttività questi materiali non sono ancora noti per certo e per questo sono oggetto di considerevoli dibattiti e ulteriori ricerche. Quello che sembra ormai appurato è che alla base ci sia la formazione di coppie di Cooper dovute all'interazione diretta tra elettroni, senza l'intervento del reticolo cristallino, come invece avviene per i superconduttori ordinari. Inoltre il legame tra i due elettroni che formano la coppia sarebbe analogo all'orbitale atomico d (con numero quantico orbitale l=2), anziché s (con numero quantico orbitale l=0) come nei superconduttori ordinari.
A base di ferro
I superconduttori a base di ferro sono costituiti da strati sovrapposti come i cuprati ma basati su composti di ferro ed elementi del gruppo 15 (pnicogeni), come arsenico o fosforo, o del gruppo 16. Questa è attualmente la famiglia con la seconda temperatura critica più alta a pressione ambiente, dietro i cuprati. L'interesse per le loro proprietà superconduttive è iniziato nel 2006 con la scoperta della superconduttività in LaFePO a 4 K che poi ha portato nel 2008 alla scoperta di un materiale simile, il LaOFeAs, con temperatura critica di , alla pressione di 4 GPa. Le temperature critiche più elevate con questo tipo di superconduttori sono state raggiunte nelle pellicole sottili di FeSe,, fino ad arrivare nel 2014 a una temperatura massima appena superiore ai .
Partendo dalle iniziali scoperte sono emerse diverse famiglie di superconduttori di questo tipo: LnFeAsO1−x con Tc fino a e rapporto stechiometrico tra i quattro elementi di 1:1 (composti 1111). È stata anche scoperta una variante con fluoro al posto dell'ossigeno, avente valori simili della temperatura critica. (Ba, K) Fe2As2 e materiali correlati, costituiti da coppie di strati di ferro-arseniuro e rapporto stechiometrico di uno per (Ba, K) a due con Fe e As (composti 122). I valori di Tc possono arrivare fino a . Questi materiali mantengono le proprietà superconduttrici anche sostituendo il ferro con il cobalto. LiFeAs e NaFeAs con Tc fino a circa e rapporto stechiometrico tra i tre elementi di 1:1 (composti 111). FeSe con un basso drogaggio di tellurio.
La maggior parte di questi superconduttori, quando non drogati, mostrano una transizione di fase della struttura da tetragonale a ortorombica e, a bassa temperatura, un ordinamento magnetico simile ai superconduttori cuprati. Tuttavia si comportano più come metalli di post-transizione che isolanti di Mott e hanno cinque bande sulla superficie di Fermi anziché una. Il diagramma di fase che emerge quando vengono drogati gli strati di ferro-arseniuro è notevolmente simile, con la fase superconduttiva vicina o sovrapposta alla fase magnetica. Il valore di Tc varia a seconda degli angoli di legame tra Fe e As, ottenendo un valore ottimale con quattro atomi di As disposti ai vertici di un tetraedro, avente il Fe al centro. La simmetria della funzione d'onda di accoppiamento è ancora ampiamente dibattuta, ma attualmente è preferito uno scenario ad onde s estese.
Idruri A partire dal 2015 sono stati scoperti materiali a base di idrogeno con proprietà superconduttive a temperature vicine alla temperatura ambiente e basati su meccanismi di superconduzione convenzionali, ossia, a differenza dei cuprati e materiali ferrosi, simili a quelli dei superconduttori ordinari (interazione elettroni-fononi della teoria BCS), come H3S (formatosi per decomposizione di H2S ad alte pressioni), con una Tc di a 90 GPa e LaH10, con Tc di a 200 GPa.
A partire dal 2020 si sono ottenuti risultanti interessanti con idruri ternari, cioè composti da altri due elementi oltre all'idrogeno. In particolare nel 2020 un idruro di carbonio e zolfo avrebbe raggiunto la temperatura di a una pressione di 267 GPa ma ci sono dubbi sul risultato. In seguito, altri idruri ternari, in particolare idruri a base di lantanio e ittrio, hanno mostrato temperature critiche pari a ed è stato calcolato che il YCeH20, LaCeH20 e YCeH18 potrebbero raggiungere temperature critiche pari rispettivamente a 122 K (ad una pressione di 300 GPa), a 116 K (a 250 GPa) e a 173 K (a 150 GPa).
Altri materiali