Superconduttività. Storia ed essenza della scoperta scientifica

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Anche nell'antichità si notava che lo stato di aggregazione della materia dipende da condizioni esterne. L'esempio più eclatante e illustrativo è la trasformazione dell'acqua in ghiaccio e vapore. Il gas (ammoniaca) fu liquefatto per la prima volta nel 1792 dal fisico olandese M. van Marum. Michael Faraday, a partire dal 1823, convertì diversi gas in uno stato liquido contemporaneamente: cloro, anidride solforosa e anidride carbonica.

Il processo non è stato difficile, perché i gas intermedi si liquefanno a una temperatura abbastanza elevata. I veri gas sono un'altra questione. Ci vollero più di cinquant'anni prima che riuscissero a convertirli in uno stato liquido. Nel 1877 R. Pictet e L. Calete ottennero ossigeno liquido e azoto liquido. Su scala industriale, la liquefazione dell'aria fu effettuata dall'ingegnere tedesco K. Linde solo nel 1895.

Ora sembrava che, secondo lo schema già elaborato, sarebbe stato facile trasferire qualsiasi altro gas allo stato liquido. Ma non c'era. In effetti, la stragrande maggioranza dei gas si raffredda durante l'espansione. Tuttavia, l'idrogeno, il neon e l'elio ostinati si comportano in modo "disonesto": si riscaldano quando si espandono.

Una via d'uscita fu trovata verso la fine del XIX secolo. Si è scoperto che per ottenere idrogeno ed elio liquidi, è sufficiente preraffreddarli a una temperatura relativamente bassa.

Olshevsky a Cracovia, Kamerling-Onnes in Olanda e Dewar in Inghilterra tentarono contemporaneamente di ottenere idrogeno liquido. Dewar vinse questo concorso: il 10 maggio 1898 ricevette 20 centimetri cubi di idrogeno liquido. Pochi mesi dopo, riuscì a ottenere idrogeno solido. Solo 14 gradi lo separavano dallo zero assoluto.

La mente brillante, l'eccellente arte dello sperimentatore e l'eccellente erudizione hanno aiutato James Dewar a diventare uno dei pionieri della tecnologia criogenica. È interessante notare che gli appartengono sia il termine stesso (dal greco "kryos" - freddo), sia il famoso "vaso Dewar".

Ma l'elio si rifiutò ostinatamente di sottomettersi. Fu solo il 9 luglio 1908 che arrivò la notizia che il dottor Heike Kamerling-Onnes (1853–1926) dell'Università di Leiden aveva liquefatto l'elio. Ha contrastato l'intuizione e l'abilità di Dewar con un sistema, con le capacità di un grande organizzatore. Il famoso laboratorio Kamerling-Onnes di Leida, di cui divenne direttore all'età di 29 anni, è definito il primo modello di istituto di ricerca del XX secolo.

"Alla fine dell'esperimento, Kamerling-Onnes ha tentato di ottenere l'elio solido", scrive R. Bakhtamov, "ha fallito. Ha fallito in seguito, quando ha raggiunto una temperatura di 1,38 e poi di 1,04 gradi Kelvin. ragioni per questo strano fenomeno, tuttavia, si costrinse a fare un passo indietro e passò al punto successivo del programma pianificato: lo studio delle proprietà dei metalli alla temperatura dell'elio.

Onnes misurò la resistenza elettrica dell'oro, del platino e raccolse il mercurio. E poi sono iniziate le sorprese. Il 28 aprile 1911 riferì all'Accademia reale dei Paesi Bassi che la resistenza del mercurio aveva raggiunto un valore così basso che "gli strumenti non lo rilevavano". Il 27 maggio il messaggio è stato chiarito: la resistenza del mercurio non diminuisce gradualmente, ma bruscamente, bruscamente, e diminuisce così tanto che si può parlare di "scomparsa della resistenza".

In un articolo pubblicato nel marzo 1913, Onnes usò per la prima volta il termine "superconduttività". Dopo altri 11 anni, comincerà a capire qualcosa in questo strano fenomeno. Tra 50 anni il fenomeno sarà spiegato, anche se non del tutto. Diverse volte Onnes ha osservato un altro fenomeno piuttosto strano: una mobilità insolitamente elevata dell'elio. Ma era già così innaturale che Onnes non provò nemmeno a capirci qualcosa.

Ha continuato la sua linea, avvicinandosi sempre di più allo zero assoluto. Ha usato, in sostanza, un metodo: per ridurre la tensione di vapore dell'elio liquido, ha installato pompe sempre più potenti. Alla fine, Onnes ha raggiunto 0,83 gradi Kelvin. Sembrava essere il limite. Tuttavia, nell'aprile 1926 - due mesi dopo la morte di Kamerling-Onnes - il professore americano Latimer, avendo sviluppato l'idea del canadese William Gioka, propose un nuovo metodo di raffreddamento: il magnetico. Nel 1956, Francis Simon di Oxford ottenne una temperatura di 0,00001 gradi Kelvin, solo un centomillesimo di grado sopra lo zero assoluto."

Sorprendentemente, solo trent'anni dopo la liquefazione dell'elio, è stata scoperta la sua proprietà più esotica, la superfluidità, sebbene siano stati effettuati migliaia di esperimenti. Ma un giorno un gruppo di scienziati canadesi osò ancora dare una descrizione, rifiutandosi risolutamente di trarre conclusioni. "La conclusione corretta su un nuovo fenomeno", hanno osservato, "non è difficile da fare nemmeno per uno studente del primo anno. Ma solo i fisici maturi ed esperti si assumerebbero la responsabilità di presumere abbastanza seriamente che la conduttività termica di un liquido improvvisamente aumenta milioni di volte”.

All'inizio del 1938 Nature pubblicò due articoli. Uno di loro apparteneva a uno scienziato sovietico PL Capitsa, e l'altro ad Allen e Mizenar dell'Università di Cambridge. I loro risultati e conclusioni coincidevano: il flusso di elio liquido è quasi completamente privo di viscosità. È Kapitsa che possiede il termine "superfluidità", che è diventato generalmente accettato. Sorprendentemente, gli atomi di elio e gli elettroni liberi di un metallo si comportano allo stesso modo. Questa scoperta ha permesso di collegare entrambi i fenomeni: superconduttività e superfluidità di un flusso di elettroni in un conduttore.

La superconduttività fu scoperta all'inizio del secolo, ma fu solo nel 1957 che Bardeen, Cooper e Schriefer riuscirono a dare una spiegazione soddisfacente al fenomeno della superconduttività costruendo una teoria che porta il loro nome (la teoria BCS).

"Cosa succede in un superconduttore?" si chiede Regge nel suo libro. "La risposta completa a questa domanda è lunga e complicata. Normalmente due elettroni si respingono nel vuoto, ma in un metallo le cariche positive dei nuclei schermano il cariche negative degli elettroni, e la repulsione può scomparire quasi completamente. In molti casi lo screening risulta essere incompleto e quindi non si osserva la superconduttività.

In alcuni casi, il reticolo si restringe attorno a un elettrone, creando così una nuvola di cariche positive che avvolge quell'elettrone e attira altri elettroni. Il risultato è una leggera attrazione tra gli elettroni. Poiché questa attrazione è debole, fa sì che gli elettroni si muovano solo a coppie; quindi, esiste un legame simile a quello chimico, ma migliaia di volte più debole. Di conseguenza, una coppia di Cooper è simile a una molecola "a due elettroni" e il passaggio allo stato di superconduttività può essere considerato come la trasformazione di un gas di elettroni in un gas costituito da tali "molecole". Un fenomeno simile si verifica in chimica: ad esempio, se l'ossigeno biatomico viene riscaldato, si rompe in singoli atomi che possono ricombinarsi una volta raffreddati.

Il gas di elettroni che si muove nel metallo si condensa in un liquido di coppie di Cooper, che chiameremo "condensato". Il raggio di una tale coppia è di circa 300 angstrom, che è molto più grande della distanza tra atomi vicini (diversi angstrom). In un mare di coppie Cooper, è difficile immaginare increspature o onde più corte delle coppie stesse. Pertanto, le disomogeneità del reticolo con dimensioni non superiori a dieci angstrom non rappresentano ostacoli al flusso della condensa e non si verificano perdite di energia. Questa è la causa principale della superconduttività".

È ancora difficile immaginare tutte le conseguenze di questa scoperta. L'effetto della superconduttività è già stato utilizzato con successo nei treni Maglev giapponesi ad alta velocità. "Sono stati creati e funzionano sistemi magnetici superconduttori con caratteristiche uniche", scrive R. Bakhtamov. "La Lockheed, ad esempio, ha costruito un elettromagnete che pesa 85 chilogrammi e produce un campo magnetico di 15 oersted.

I più grandi magneti superconduttori con un campo di 30-40 mila oersted e una dimensione di circa 4 metri stanno già lavorando in numerosi laboratori di acceleratori in Europa e in America, sono stati creati magneti con un campo fino a 170 mila oersted.

Sono in corso i lavori per la realizzazione delle più grandi macchine elettriche - turbo e idrogeneratori con sistemi di eccitazione superconduttori.

I superconduttori aprono possibilità completamente nuove nella creazione di computer. La corrente nei sistemi superconduttori è un dispositivo di archiviazione ideale in grado di immagazzinare un'enorme quantità di dati e di emetterli a una velocità fantastica...

Sono già state ottenute leghe che mantengono la superconduttività a 18-20 gradi Kelvin. La creazione di una sostanza che avrebbe proprietà a una temperatura di almeno 100 gradi Kelvin porterebbe a una rivoluzione nell'ingegneria elettrica. La scienza moderna ritiene che il compito sia reale e le conseguenze della sua soluzione saranno definite in una parola: fantastico.

Autore: Samin D.K.

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L'esperimento è iniziato nel febbraio 2008, quando un contenitore appositamente attrezzato delle dimensioni di un diplomatico con molti scomparti è stato inviato alla ISS, che conteneva miscele organiche complesse e vari microrganismi: batteri, semi, muffe e alghe. In totale, 664 campioni biologici e biochimici sono "arrivati" sulla ISS. Il container è stato esposto all'esterno del modulo europeo della stazione e per 18 mesi molti microrganismi e miscele in esso contenuti sono esistiti nello spazio esterno, esposti al vuoto, ai raggi ultravioletti solari, ai raggi cosmici e ai frequenti sbalzi di temperatura. Per i restanti campioni in compartimenti chiusi, sono state ricreate le condizioni esistenti sulla superficie di Marte.

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