Di cosa parleremo. Superconduttività. Applicazioni della superconduttività. Visita ai Laboratori di Trattamenti di Superficie

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Gloria Monaco
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2 Di cosa parleremo Superconduttività Ripasso sulla conduzione nei metalli Scoperta della superconduttività Caratteristiche dei superconduttori Applicazioni della superconduttività Visita ai Laboratori di Trattamenti di Superficie

3 La conduzione nei Metalli

4 Elettroni in un campo elettrico E

5 Legge di Ohm (per i conduttori metallici) VV = RRRR RR = l AA ρρ ρρ? pp = eeeeττ mmvv dd = eeeeττ jj = nn ee eevv dd = nnee2 ττ mm EE σσ = 11 ρρ Modello di Drude

6 Resistenza Elettrica e Resistività La resistenza è dovuta all urto tra elettroni e reticolo Somma di due contributi: Vibrazione del reticolo (fononi) Difetti e distorsioni del reticolo

7 Vibrazioni fononiche

8 Difetti puntuali vacanze atomi interstiziali atomi sostituzionali atomi interstiziali

9 Dislocazioni

10 Dipendenza dalla temperatura R resistenza fononica ρρ = ρρ 2222 (11 + αα TT) resistenza residua T

11 La scoperta della superconduttività

12 Liquefazione idrogeno (1898) Liquefazione 20,28 K (-252,87 C) Solidificazione 14 K (-259 C) James Dewar L elio rimane gassoso a queste T

13 Università di Leiden (Olanda) Door meten tot weten (attraverso la misura verso la conoscenza)

seen for the first time Its surface stood sharply

14 Liquefazione elio (1908) 4,2 K 1 K It was a wonderful sight when the liquid, which looked almost unreal, was seen for the first time Its surface stood sharply against the vessel like the edge of a knife Kamerlingh Onnes

15 I protagonisti Kamerlingh Onnes, il professore Gilles Holst, lo studente

16 Le teorie dell epoca R Dewar Matthiessen Kelvin T

17 Mercurio

18 Scoperta della Superconduttività (1911)

19 Oro VS Mercurio

20 Andamento della resistenza R superconduttori normalconduttori Tc (Temperatura Critica) T

21 Correnti persistenti B i

22 Tc Superconduttori

23 Tc Superconduttori

24 Tc Superconduttori Elemento Tc [K] Elemento Tc [K] Hg (mercurio) 4.15 Zr (zirconio) 0.55 In (indio) 3.40 Ti (titanio) 0.39 La (lantanio) 6.00 Zn (zinco) 0.88 Nb (niobio) 9.50 Al (alluminio) 1.14 Pb (piombo) 7.19 Mo (molibdeno) 0.92 Re (renio) 1.40 Hf (afnio) 1.12 Sn (stagno) 3.72 Ru (rutenio) 0.51 Ta (tantalio) 4.48 Cd (cadmio) 0.56 Tc (tecnezio) 7.77 Ga (gallio) 1.09 Th (torio) 1.37 W (tungsteno) 0.01 Tl (tallio) 2.39 Ir (iridio) 0.14 V (vanadio) 5.38 Os (osmio) 0.66

25 Parametri Critici

26 Effetto Meissener

27 Diamagnete perfetto

28 Diamagnete perfetto

29 Diamagnete perfetto

30 Effetto Meissner

31 Modello a due fluidi

32 Modello a due fluidi (Gorter and Casimir, 1934) J = J n + J S 1 n S /n n n /n T C T Il numero di elettroni SC dipende da T

33 Equazioni di London Fritz e Heinz London, 1935 Teoria fenomenologica Adattamento delle equazioni di Maxwell ai Superconduttori La corrente dipende da B e non da E

34 Equazioni di London Fritz e Heinz London, 1935 Conduttore perfetto Effetto Meissner JJ = nn SSee 2 E JJ = nn SSee 2 tt mm mm B B(x)= BB 0 exp( xx λλ LL ) λλ LL = mm μμ 0 nn SS ee 2 λλ LL (0) = 36 nnnn pppppp NNNN

35 Quantizzazione del flusso Deaver e Fairbank, 1961 Già intuito da London quasi trent anni prima Deaver und Fairbank

36 3 caratteristiche Superconduttori 1. Resistenza nulla 2. Diamagnetismo completo 3. Quantizzazione del flusso

37 Lunghezza di coerenza ξ Pippard, 1950 La risposta in un punto dipende non solo dalle condizioni in quel punto, ma dalle condizioni in un intorno al punto pari alla lunghezza di coerenza Modifica le equazioni di London da locali a non locali Introduce la lunghezza di coerenza anticipando l esistenza delle coppie di Cooper Esistenza di due tipologie di superconduttori: SC di Pippard e di London λ λ ξ o ξ o Pippard London

38 Teoria BCS Bardeen Cooper Schrieffer, 1961 Teoria microscopica della superconduttività Esistenza di coppie elettrone-elettrone (coppie di Cooper) La repulsione coulombiana è mediata da un interazione elettrone-fonone L introduzione delle coppie di Cooper semplifica il problema a multicorpi

39 E Coppie di Cooper

40 Teoria BCS Bardeen Cooper Schrieffer, 1961 Esistenza di un Energy Gap Spiega l effetto isotopico (T c mercurio dipende dalla massa isotopica) La funzione d onda deve avere una fase univoca e pertanto la funzione d onda BCS è noto come stato coerente

41 Energy Gap Confermato dall esperimento di Tinckham e Gloveer del 1956 con assorbimento di radiazione IR solo al di sopra di una certo valore soglia Dipendenza con la temperatura 0 = 1,764KK BB TT cc TT TT cc 3,07KK BB TT cc 1 TT TT cc

42 Fermioni e Bosoni

43 Superconduttori II tipo Landau, Ginzburg e Abrikosov (1951) Interfaccia NC - SC Superconduttori di London

44 Giunzione Josephson Predizione: nei superconduttori la fase della funzione d onda è costante. Due superconduttori avranno fasi diverse Effetto Josephson DC: si genera una corrente proporzionale alla differenza di fase Effetto Josephson AC: oscillazioni a frequenza pari a d.d.p.

45 Lo stato dell arte negli anni 80 Nb 3 Sn scoperto nel 1973 ha T c pari a 23,2 K Primi elettromagneti a superare 1 tesla (9 T) Bernd Matthias

46 Superconduttori ad alta Tc BCS prevede Tc non superiori a 20 K Alcuni composti organici diventano SC ad alte pressioni Bernondz e Muller ai Lab IBM di Zurigo lavorano sulle perovskite e ottengono Tc di 30 K nel 1986 Pubblicano il lavoro su Zeitschrift fur Physik

47 Superconduttori ad alta Tc Paul Chu riproduce e migliora i risultati Sostituisce il Bario con Stronzio arrivando a 38 K Nel 1987 scopre l YBCO con Tc pari a 93 K (Tc raggiungibile in azoto liquido)

48 Scoperta dei SC

49 Superconduttori a T ambiente Andrea Cavalleri, Max Plank I., Amburgo (2014) YBCO irraggiato con impulsi IR allo SLAC E possibile modulare l oscillazione del reticolo Si ottiene uno stato metastabile di qualche picosecondo

50 Cronologia della Superconduttività 1908 Liquefazione dell elio 1911 Scoperta della superconduttività (resistenza nulla) 1933 Effetto Meissner 1935 Teoria fenomenologiaca di H. & F. London 1950 Teoria di Ginzburg Landau tipologie di superconducttori (Abrikosov) 1957 Teoria microscopica (Bardeen Cooper Schrieffer) 1960 Quantizzazione del flusso magnetico 1962 Effetto Josephson 1986 Superconduttori ad alta T (Bednorz Müller)

51 Nobel per la superconduttività 1913 Onnes 1972 Bardeen, Cooper, Schrieffer 1973 Josephson, Esaki, Giaever 1987 Bednorz and Muller 2003 Abrikosov, Ginzburg, Leggett 2016 Thouless, Haldane, Kosterlitz

52 Applicazioni

53 Cavo NbTi Cu = 400 A cm -2 NbTi = 10 7 A cm -2 8 cm 11 cm

54 Risonanza Magnetica Nucleare

55 SQUID - Magnetoencefalografia

56 Magnetoencefalografia

57 Maglev

58 Maglev

59 Fusione nucleare

60 Reazione di Fusione Nucleare

61 Impianto per la fusione nucleare

62 Confinamento Magnetico

63 Tokamak

64 Impianti elettrici superconduttivi

65 Motori Superconduttivi

66 Acceleratori di Particelle

67 Acceleratori di particelle target sorgente cavità acceleratrici rivelatori

68 Cavità acceleratrici

69 Cavità Risonante CARATTERISTICHE Campo accelerante (MV/m) Fattore di merito Q

70 Fattore di merito (Q) e R s Q = 2ππff 0 UU PP dd Q = GG RR ss PP dd = 1 2 RR ss ss HH 2 dddd

71 Perché Cavità Superconduttive? 1) Aumento del campo accelerante R s Cu 10-3 Ω Q 10 4 R s Nb 10-9 Ω Q 10 9 NormalConduttore Superconduttore Potenza AC per E acc = 1 MV/m 112 kw/m 0,54 kw/m Potenza AC per E acc = 5 MV/m 2800 kw/m 13,5 kw/m Efficienza Criogenica 0, kw/m (cavità superconduttive a 5 MV/m) Efficienza Klystrom 0, kw/m (cavità normalconduttive a 5 MV/m) E acc Cu < 1 MV/m E acc Nb = 55 MV/m (limitato da H SH )

72 Perché Cavità Superconduttive? 2) Riduzione della lunghezza del Linac Riduce la degradazione del fascio dovuta all accelerazione

73 Resistenza Superficiale Superconduttore RRRR = AA 1 TT ff2 exp TT KKKK + RR 0 PARAMETRI IMPORTANTI: Tc Superconduttore (Attenzione ad H SH!) Temperatura Bagno Elio Purezza Superconduttore Trattamenti Superficiali

74 Resistenza Superficiale Superconduttore RRRR = AA 1 TT ff2 exp TT KKTT + RR 0 PARAMETRI IMPORTANTI: Tc Superconduttore (Attenzione ad H SH!) Temperatura Bagno Elio Purezza Superconduttore Trattamenti Superficiali

75 CERN Ginevra

77 Tunnel LHC

78 Large Hadron Collider

79 Large Hadron Collider

80 LNL - INFN

81 LNL - INFN

82 LNL - INFN

83 Consiglio di lettura

84 Grazie per l attenzione!

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