Superconduttività ad alte temperature: differenze tra le versioni
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[[File:BI2223-piece3_001.jpg|destra|miniatura| Un campione di BSSCO, che attualmente è uno dei superconduttori ad alta temperatura più adatti all'uso pratico. In particolare, non contiene [[terre rare]]. BSSCO è un superconduttore cuprato basato su [[bismuto]] e [[stronzio]]. Grazie alla loro temperatura operativa più elevata, i cuprati stanno diventando concorrenti per i più comuni superconduttori a base di [[niobio]], nonché per i superconduttori
Il primo superconduttore ad alta temperatura critica è stato scoperto nel [[1986]] dai ricercatori [[IBM]] [[Georg Bednorz|Bednorz]] e [[Karl Alexander Müller|Müller]],<ref name="pjford" /><ref name="Bedn1986">
{{Cita pubblicazione|autore=Bednorz|nome=J. G.|autore2=Müller|nome2=K. A.|anno=1986|titolo=Possible high ''T''<sub>C</sub> superconductivity in the Ba-La-Cu-O system|rivista=[[Zeitschrift für Physik B]]|volume=64|numero=2|pp=189-193|doi=10.1007/BF01303701|bibcode=1986ZPhyB..64..189B}}</ref> che nel [[1987]] hanno ricevuto il [[premio Nobel per la fisica]] "per la loro importante svolta nella scoperta della superconduttività nei materiali ceramici".<ref>{{Cita web|url=https://web.archive.org/web/20080919014520/http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1987/index.html|titolo=Nobel Prize in Physics 1987|data=2008-09-19|accesso=2020-12-06}}</ref>
Il superconduttore scoperto da Bednorz e Müller era un [[cuprato]], un gruppo di materiali che pian piano stanno diventando adatti
Dal punto di vista dei materiali, oltre ai cuprati, un secondo tipo rilevante è quello costituito da composti ferrosi.<ref>{{Cita news|nome=Charles Q.|cognome=Choi|autore=|url=https://www.scientificamerican.com/article/iron-exposed-as-high-temp-superconductor/|titolo=A New Iron Age: New class of superconductor may help pin down mysterious physics|pubblicazione=Scientific American|data=2008-06-01|accesso=6 dicembre 2020}}</ref><ref name="ren">{{Cita pubblicazione|autore=Ren|nome=Zhi-An|anno=2008|titolo=Superconductivity and phase diagram in iron-based arsenic-oxides ReFeAsO1−δ (Re=rare-earth metal) without fluorine doping|rivista= EPL |volume=83|numero=1|p=17002|doi=10.1209/0295-5075/83/17002|bibcode=2008EL.....8317002R|autore2=Che|autore3=Dong|nome2=Guang-Can|nome3=Xiao-Li|arxiv=0804.2582}}</ref> 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 {{Converti|43|K|C|}}.<ref name="preuss" />
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quantistiche dei protoni}}</ref><ref name=":1">{{Cita web|url=https://www.lescienze.it/news/2020/10/15/news/primo_superconduttore_alta_temperatura-4817522/|titolo=Il primo superconduttore a temperatura ambiente entusiasma e sconcerta|sito=Le Scienze|data=2020-10-15|lingua=it|accesso=2020-12-07}}</ref><ref name=":2">{{Cita pubblicazione|nome=Elliot|cognome=Snider|nome2=Nathan|cognome2=Dasenbrock-Gammon|nome3=Raymond|cognome3=McBride|data=2020-10|titolo=Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride|rivista=Nature|volume=586|numero=7829|pp=373-377|lingua=en|accesso=2021-06-21|doi=10.1038/s41586-020-2801-z|url=https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020Natur.586..373S/abstract}}</ref>.
Il superconduttore a pressione ambiente con la più alta temperatura critica
== Storia ==
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Tali risultati non erano spiegabili nell'ambito della teoria BCS, considerata valida fino a massimo 25-30 K,<ref name=":3">{{Cita pubblicazione|nome=Adam|cognome=Mann|data=2011-07-01|titolo=High-temperature superconductivity at 25: Still in suspense|rivista=Nature|volume=475|numero=7356|pp=280–282|lingua=en|accesso=2022-09-09|doi=10.1038/475280a|url=https://www.nature.com/articles/475280a}}</ref> ma l'anno successivo, all'[[università di Princeton]], [[Philip Warren Anderson|Philip Anderson]] diede una prima descrizione teorica di questi materiali, basata sulla [[teoria del legame di valenza risonante]] (teoria RVB).<ref name="Anderson87">{{Cita pubblicazione|autore=Anderson|nome=Philip|anno=1987|titolo=The Resonating valence bond state in la-2CuO-4 and superconductivity|rivista=Science|volume=235|numero=4793|pp=1196-1198|doi=10.1126/science.235.4793.1196|bibcode=1987Sci...235.1196A|PMID=17818979}}</ref> 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 ([[Coppia di Cooper|coppie di Cooper]]) ma il loro legame sia descritto dalle [[Funzione d'onda|funzioni d'onda]] degli [[Orbitale atomico|orbitali atomici ''d'']] (con [[numero quantico orbitale]] ''l''=2), anziché da quelli ''s'' (con numero quantico orbitale ''l''=0), come nella teoria BCS base.<ref name="bickers87">{{Cita pubblicazione|autore=Bickers|nome=N.E.|anno=1987|titolo=CDW and SDW mediated pairing interactions|rivista=Int. J. Mod. Phys. B|volume=1|numero=3n04|pp=687-695|doi=10.1142/S0217979287001079|bibcode=1987IJMPB...1..687B|autore2=Scalapino|autore3=Scalettar|nome2=D. J.|nome3=R. T.}}</ref> Nel 1988 tre successive teorie furono proposte: da Inui, Doniach, Hirschfeld e Ruckenstein,<ref name="inui88">{{Cita pubblicazione|autore=Inui|nome=Masahiko|anno=1988|titolo=Coexistence of antiferromagnetism and superconductivity in a mean-field theory of high-Tc superconductors|rivista=Phys. Rev. B|volume=37|numero=10|pp=5182-5185|doi=10.1103/PhysRevB.37.5182|bibcode=1988PhRvB..37.5182D|url=http://prb.aps.org/abstract/PRB/v37/i4/p2320_1|PMID=9943697|autore2=Doniach|autore3=Hirschfeld|nome2=Sebastian|nome3=Peter J.|urlarchivio=https://archive.is/20130703172401/http://prb.aps.org/abstract/PRB/v37/i4/p2320_1}}</ref> usando la teoria della [[Fluttuazione quantistica|flutuazione]] dello [[spin]]; da Gros, Poilblanc, Rice e Zhang;<ref name="gros88">{{Cita pubblicazione|autore=Gros|nome=Claudius|anno=1988|titolo=Superconductivity in correlated wavefunctions|rivista=Physica C|volume=153–155|pp=543-548|doi=10.1016/0921-4534(88)90715-0|bibcode=1988PhyC..153..543G|autore2=Poilblanc|autore3=Rice|nome2=Didier|nome3=T. Maurice}}</ref> da Kotliar e Liu, identificando la funzione d'onda ''d'' come conseguenza naturale della teoria RVB.<ref name="kotliar88">{{Cita pubblicazione|autore=Kotliar|nome=Gabriel|anno=1988|titolo=Superexchange mechanism and d-wave superconductivity|rivista=Physical Review B|volume=38|numero=7|p=5182|doi=10.1103/PhysRevB.38.5142|bibcode=1988PhRvB..38.5142K|PMID=9946940|autore2=Liu|nome2=Jialin}}</ref> 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 fotoelettronica|spettroscopia di fotoemissione]] risolta in angolo, l'osservazione di [[Quantizzazione del flusso|flussi magnetici a quantizzazione]] semi intera in esperimenti di [[Effetto tunnel|tunneling]] e indirettamente dalla dipendenza della temperatura dalla profondità di penetrazione, calore specifico e conducibilità termica.
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]]).<ref name=":0" /><ref name=":1" /> Nel 2019 si è raggiunta una temperatura critica di {{M|-23|ul=°C}} nel LaH<sub>10</sub>, un super-[[idruro]] del [[lantanio]], a una pressione superiore a 100 [[Pascal (unità di misura)|GPa]]<ref name=":0" />, e nel [[2020]], utilizzando al posto del lantanio, carbonio e zolfo, la temperatura di {{M|15|ul=°C}} a una pressione di 267 GPa, oltre 2,6 milioni di volte la pressione atmosferica,<ref name=":1" /><ref name=":2" /> anche se quest'utlimo risultato è stato messo in discussione.<ref name=":4">{{Cita pubblicazione|nome=J. E.|cognome=Hirsch|nome2=F.|cognome2=Marsiglio|data=2021-08-26|titolo=Absence of high temperature superconductivity in hydrides under pressure|rivista=Nature|volume=596|numero=7873|pp=E9–E10|accesso=2022-09-28|doi=10.1038/s41586-021-03595-z|url=http://arxiv.org/abs/2010.10307}}</ref>
Il superconduttore a pressione ambiente con la più alta temperatura di transizione
== Materiali ==
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Per cuprati si intende una vasta gamma di materiali. Quelli con proprietà superconduttive sono materiali [[Materiale ceramico|ceramici]] stratificati, normalmente [[Isolante elettrico|isolanti]] e [[Antiferromagnetismo|antiferromagnetici]], costituiti da strati di ossido di rame (CuO<sub>2</sub>), 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 [[Lacuna (fisica)|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 [[Coppia di Cooper|coppie di Cooper]] dovute all'interazione diretta tra elettroni, senza l'intervento del [[Reticolo di Bravais|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),
=== A base di ferro ===
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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.<ref name="Zhao2008">
{{Cita pubblicazione|autore=Zhao|nome=J|anno=2008|titolo=Structural and magnetic phase diagram of CeFeAsO<sub>1−x</sub>F<sub>x</sub> and its relation to high-temperature superconductivity|rivista=[[Nature Materials]]|volume=7|numero=12|pp=953-959|doi=10.1038/nmat2315|bibcode=2008NatMa...7..953Z|PMID=18953342|autore2=Huang|autore3=de la Cruz|nome2=Q|nome3=C|arxiv=0806.2528}}</ref> Tuttavia si comportano più come [[metalli di post-transizione]] che [[Isolante di Mott|isolanti di Mott]] e hanno cinque [[Struttura elettronica a bande|bande]] sulla [[superficie di Fermi]] anziché una.<ref name="Kordyuk2012" /> 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 ''T''<sub>c</sub> 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.<ref name="Lee2008">
{{Cita pubblicazione|autore=Lee|nome=Chul-Ho|anno=2008|titolo=Effect of Structural Parameters on Superconductivity in Fluorine-Free LnFeAsO<sub>1−y</sub> (Ln=La, Nd)|rivista=[[Journal of the Physical Society of Japan]]|volume=77|numero=8|p=083704|doi=10.1143/JPSJ.77.083704|bibcode=2008JPSJ...77h3704L|autore2=Iyo|autore3=Eisaki|nome2=Akira|nome3=Hiroshi|arxiv=0806.3821}}</ref> La simmetria della funzione d'onda di accoppiamento è ancora ampiamente dibattuta, ma attualmente è preferito uno scenario
=== Idruri ===
Riga 72:
=== Altri materiali ===
Il [[diboruro di magnesio]] viene occasionalmente definito superconduttore ad alta temperatura critica perché, pur essendo la sua temperatura critica di soli {{M|39|ul=K}}, essa è al di sopra di quanto storicamente previsto per i superconduttori in base alla [[teoria BCS]]. Tuttavia è generalmente e più correttamente considerato come un superconduttore convenzionale
Materiali basati sui [[fullereni]],<ref name="Heba1991">
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=== Superconduttori convenzionali ===
La prima spiegazione della superconduttività è stata la [[teoria BCS]], valida per i superconduttori scoperti prima del 1986 e quindi con temperatura critica molto bassa. Secondo tale teoria un elettrone muovendosi nel materiale ne distorce il reticolo cristallino, avvicinando a
Oltre a questa classe di materiali risultano spiegabili dalla teoria BCS anche gli idruri, scoperti dopo il 2015, con elevate temperature critiche ma anche elevate pressioni critiche. Infatti il loro comportamento è analogo a quello atteso per l'[[idrogeno metallico]], ottenibile solo con pressioni elevatissime.<ref>{{Cita pubblicazione|data=2020-04-29|titolo=A perspective on conventional high-temperature superconductors at high pressure: Methods and materials|rivista=Physics Reports|volume=856|pp=1-78|lingua=en|accesso=2021-07-06|doi=10.1016/j.physrep.2020.02.003|url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157320300363}}</ref>
Riga 100:
==== Simmetria D in YBCO ====
Un esperimento escogitato da J.R. Kirtley e C.C. Tsuei per testare il tipo di simmetria si basa sulla [[quantizzazione del flusso]] di un anello a tre grani di YBa<sub>2</sub>Cu<sub>3</sub>O<sub>7</sub> (YBCO), sondandone l'interfaccia di giunzione, poiché le coppie di Cooper creano tunnel attraverso una [[giunzione Josephson]] o un collegamento debole.<ref name="Gesh1987">
{{Cita pubblicazione|autore=Geshkenbein|nome=V.|anno=1987|titolo=Vortices with half magnetic flux quanta in ''heavy-fermion'' superconductors|rivista=[[Physical Review B]]|volume=36|numero=1|pp=235-238|doi=10.1103/PhysRevB.36.235|bibcode=1987PhRvB..36..235G|PMID=9942041|autore2=Larkin|autore3=Barone|nome2=A.|nome3=A.}}</ref> Il risultato atteso doveva essere un flusso semi-intero,
{{Cita pubblicazione|autore=Kirtley|nome=J. R.|anno=1995|titolo=Symmetry of the order parameter in the high-''T''<sub>c</sub> superconductor YBa<sub>2</sub>Cu<sub>3</sub>O<sub>7−δ</sub>|rivista=[[Nature]]|volume=373|numero=6511|pp=225-228|doi=10.1038/373225a0|bibcode=1995Natur.373..225K|autore2=Tsuei|autore3=Sun|nome2=C. C.|nome3=J. Z.}}</ref> In questo modo la magnetizzazione spontanea fu chiaramente osservata, avvalorando l'ipotesi della simmetria di tipo ''d''. Ma essendo YBCO ortorombico, non poteva escludersi del tutto una mescolanza con la simmetria ''s,'' così, raffinarono ulteriormente la loro tecnica, scoprendo che comunque una componente di simmetria ''s'' all'interno di YBCO non poteva essere superiore a circa il 3% del totale.<ref name="Kirt2006">
{{Cita pubblicazione|autore=Kirtley|nome=J. R.|anno=2006|titolo=Angle-resolved phase-sensitive determination of the in-plane gap symmetry in YBa<sub>2</sub>Cu<sub>3</sub>O<sub>7−δ</sub>|rivista=[[Nature Physics]]|volume=2|numero=3|pp=190-194|doi=10.1038/nphys215|bibcode=2006NatPh...2..190K|autore2=Tsuei|autore3=Ariando|nome2=C. C.|nome3=A.}}</ref> Inoltre osservarono una perfetta simmetria ''d''<sub>x<sup>2</sup>-y<sup>2</sup></sub> nella forma tetragonale Tl<sub>2</sub>Ba<sub>2</sub>CuO<sub>6.</sub><ref name="Tsue1997">
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Secondo i calcoli teorici più rigorosi, compresi gli approcci fenomenologici e diagrammatici, le spiegazioni più efficaci si basano sulle fluttuazioni magnetiche prodotto dagli [[spin]] degli elettroni.
Infatti, a differenza dei superconduttori convenzionali, dove le coppie di
== Esempi ==
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