idrogeno, elio, ossigeno, azoto, no2, c2h2 · un risultati definitivo.. ma li possiamo usare lo...
TRANSCRIPT
![Page 1: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/1.jpg)
Superconduttori Che cosa sono? Perché ci interessano?
100+ anni di sorprese e misteri
Prof. Giacomo Ghiringhelli Dr. Claudio Mazzoli
Dipartimento di Fisica
giovedì 28 febbraio 2012 – Aula De Donato, Politecnico di Milano
![Page 2: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/2.jpg)
Sommario
• Un po’ di storia
• Qualche applicazione dei superconduttori
• I superconduttori ad alta Tc
Ringraziamenti Daniela Rossi, per l’rganizzazione
Maurizio Contran, per l’assistenza video
Proff. Stefano Ossicini e Ruggero Vaglio, per alcuni materiali (immagini, informazioni, ecc)
Dott. Matteo Minola e Greta Dellea per l’aiuto in aula
![Page 3: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/3.jpg)
Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2
![Page 4: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/4.jpg)
Sempre più freddo
Louis Paul Cailletet & Raoul Pierre Pictet
Ossigeno Liquido e Solido (1877)
Tebollizione = 90.2 K
Tfusione 54.7 K
Karol Olszewski & Zygmunt Wroblewski
Azoto Liquido e Solido (1883)
Tebollizione = 77.4 K
Tfusione = 63.3 K
James Dewar
1898 Idrogeno liquido Tebollizione = 20.3 K
1899 Idrogeno solido Tfusione = 12 K
![Page 5: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/5.jpg)
A Leida, in Olanda
Onnes cercava di capire come cambia la resistività nei metalli a bassa T
![Page 6: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/6.jpg)
6
![Page 7: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/7.jpg)
La temperatura critica: Tc
![Page 8: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/8.jpg)
![Page 9: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/9.jpg)
Correnti elettriche e magnetismo
Fe
rro
ma
gn
ete
D
iam
ag
ne
te
![Page 10: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/10.jpg)
Effetto Meissner: Diamagnetismo ideale
Ma un superconduttore non è solo un conduttore ideale
Conduttore
Ideale
S
uperc
ondutt
ore
![Page 11: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/11.jpg)
L’effetto Meissner e la levitazione Il superconduttore diventa un magnete sotto l’effetto di un campo magentico esterno, e orienta i proprio poli sempre in modo che siano “opposti” a quelli del magnete esterno. Risultato: superconduttore e magnete si respingono
![Page 12: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/12.jpg)
Superconduttori di tipo II
Il campo magnetico “buca” il superconduttore, ma viene confinato in tubi magnetici, mentre il resto del materiale rimane a campo magnetico nullo
Questi tubi, o vortici di corrente, non sono liberi di muoversi, quindi una volta creati imprigionano il campo magnetico. Questo garantisce la forza anche attrattiva tra SC e magnete
![Page 13: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/13.jpg)
Rotaia magnetica
JR-Maglev – Giappone
Treno a levitazione che usa elettromagneti a superconduttore.
Detiene il record di velocità per treni 581 km/h
![Page 14: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/14.jpg)
Sorprendente e misterioso...
Fino alla fine degli anni ‘50 non esisteva una spiegazione microscopica, una teoria, della superconduttività, ma solo alcune importanti descrizioni fenomenologiche
Lev Landau Fratelli London Vitaly Ginzburg
“Ordine” superconduttivo
![Page 15: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/15.jpg)
Teoria BCS
Teoria di Bardeen, Cooper e Schrieffer
1957
![Page 16: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/16.jpg)
Le coppie di Cooper
Gli elettroni si accoppiano tramite una debolissima interazione attrattiva dovuta alla deformazione della sruttura cristallina al passaggio delgi elettroni stessi. Una volta in coppia diventano BOSONI, e non sono più FERMIONI. Così le coppie possono occupare TUTTE LO STESSO STATO QUANTISTICO e gli urti disordinati non ci sono più. Una volta messe in movimento le coppie di Cooper non perdono energia in urti. Al massim possono rompersi, ma per questo serve un’energia minima, da cui si capisce la temperatura critica.
![Page 17: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/17.jpg)
Tutto risolto?
NO, perché Tc è ancora molto bassa per poter USARE i superconduttori in applicazioni quotidiane
![Page 18: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/18.jpg)
Aprile 1986: una nuova sorpresa
Un materiale ceramico, di solito isolante, dimostra di essere superconduttore. Perdipiù Tc è assai alta, circa 30 K.
![Page 19: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/19.jpg)
La folla è in delirio!
![Page 20: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/20.jpg)
Bednorz e Müller
1950 1927
![Page 21: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/21.jpg)
YBa2Cu3O7: Tc supera 77 K
![Page 22: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/22.jpg)
Sono nati i superconduttori ad alta Tc
Per questi materiali la teoria BCS non funziona e da quasi 30 anni la comunità scientifica lavora sul problema, sinora senza pervenire a un risultati definitivo..
![Page 23: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/23.jpg)
Ma li possiamo usare lo stesso...
Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per scopi applicativi oltre che scientifici. Si sfruttano
• la resitenza zero
• l’effetto Josephson
• l’effetto Meissner
![Page 24: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/24.jpg)
![Page 25: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/25.jpg)
Cavi Superconduttori multifilamentari a
bassa Tc (elio liquido)
![Page 26: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/26.jpg)
![Page 27: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/27.jpg)
Magneti Superconduttori da Laboratorio NbTi MgB
Elettromagneti per la ricerca
![Page 28: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/28.jpg)
Risonanza Magnetica Nucleare per diagnostica medica
Per la Risonanza Magnetica servono campi magnetici molto intensi, che possono essere generati da bobine con filo in materiale superconduttore, che permettono campi più intensi e minori ingombri
![Page 29: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/29.jpg)
Magneti per LHC al CERN Ci sono circa 5000 magneti superconduttori a LHC.
I “dipoli”, che servono per curvare la traiettoria, generano un campo di più di 8 tesla,
Sono lunghi 14 m ciascuno , costruiti in Nb-Ti dalla ASG Superconductors di Genova, sono mantenuti a 1.9 K durante il funzionamento.
![Page 30: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/30.jpg)
Magneti per le grandi macchine di fusione
![Page 31: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/31.jpg)
Filtri superconduttori per telefonia cellulare
![Page 32: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/32.jpg)
Effetto Josephson
Principali applicazioni :
-SQUID (Superconducting Quantum Interference
Devices) come sensori di campo magnetico, per
esempio per studi sui materiali
-Dispositivi elettronici e computazione quantistica
-Applicazioni ad alta frequenza
![Page 33: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/33.jpg)
![Page 34: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/34.jpg)
Dispositivi Josephson per la computazione quantistica
![Page 35: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/35.jpg)
-La tecnologia superconduttiva risulta “vincente” solo quando non
ha effettive tecnologie concorrenti.
-Questo comporta che attualmente le applicazioni, anche se di
grande rilevanza, restano “di nicchia”.
-Attualmente fanno eccezione solo i magneti per Risonanza
Magnetica. Ci sono altre tecnologie superconduttive “candidate” al
successo, ma non e’ facile prevedere se si affermeranno
effettivamente
-Solo se la ricerca di base porterà alla scoperta di superconduttori a
temperatura ambiente ci sarà “la città superconduttiva” !
![Page 36: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/36.jpg)
I cuprati superconduttori
YBa2CU3O7 La1.84Sr0.16CuO4
![Page 37: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/37.jpg)
Coppie di Cooper: che cosa le tiene insieme?
![Page 38: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/38.jpg)
E noi che cosa facciamo?
Metodo: spettroscopia di raggi x
Tematiche: proprietà elettroniche e magnetiche
di materiali innovativi
Attività: progettazione e costruzione di nuovi strumenti
ideazione e realizzazione di esperimenti innovativi
interpretazione dei dati sperimentali
INCIDENT
BEAMSAMPLE
ILLUMINATED
SURFACE
AREA INCLUDED IN
THE SPECTROMETER
ACCEPTANCE
EMITTED
PHOTONS
SPECTROMETER
ENTRANCE SLITSPECTROMETER
GRATING
2D POSITION
SENSITIVE
DETECTOR
dvanced -Ray miss ion pectroscopyE SA X
SAXES
Swiss Light Source
Politecnico di Milano
&
![Page 39: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/39.jpg)
Progettato e costruito in questo dipartimento 18 anni fa, ancora in uso
AXES al sincrotrone europeo ESRF
![Page 40: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/40.jpg)
Progettato e costruito in questo dipertimento 6 anni fa, il migliore al mondo
SAXES al sincrotrone svizzero
![Page 41: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/41.jpg)
SAXES
Swiss Light Source
Politecnico di Milano
&
SAXES: dal 2005
AXES: dal 1994
dvanced -Ray miss ion pectroscopyE SA X
PO
LA
RIS
AT
ION D
EPENDENT SOFT X-RAY SPEC
TR
OS
CO
PY
ESRF
B LEAM INE
DRAGON
Politecnico di Milano
![Page 42: Idrogeno, Elio, Ossigeno, Azoto, NO2, C2H2 · un risultati definitivo.. Ma li possiamo usare lo stesso... Anche se non capiamo tutto dei superconduttori è possibile utilizzarli per](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022070113/605c25067ac140057d1b3c6d/html5/thumbnails/42.jpg)
Link Stephen Blundell, Superconduttività, Ed. Codice (15 €) Libro divulgativo scritto da un Prof. Di Oxford
http://www.msm.cam.ac.uk/ascg/lectures/
Lezioni sui superconduttori (univ. Cambridge)
http://nobelprize.org/
La lezione originale di Bednorz e Muller per la cerimonia dei premi Nobel 1987
http://superconductors.org/
http://www.supraconductivite.fr/en/index.php
Sito di introduzione alla superconduttività e ai materiali superconduttori (con altri link)
www.fisi.polimi.it