SUPERCONDUTTIVITA'

La velocità di un processore per PC dipende essenzialmente dalla maggiore o minore resistenza elettrica presente nel processore stesso. Per far questo si cerca di miniaturizzare il più possibile ed anche di progettare un’architettura interna sempre più efficiente. Recentemente si è passati ad una tecnologia a 45 nanometri (1 nanometro è 10 elevato alla -9 metri, per capirci un millesimo di micron) rispetto alla precedente che era a 65. Grazie a questo è stato possibile passare dai 246 mm precedenti ai 214 mm attuali per le dimensioni della CPU. Questo nella tecnologia Core 2, mentre in quella quad core ottenuta abbinando due dual core siamo a dimensioni ancora più piccole. Naturalmente non si fermeranno qui e sono certe ulteriori miniaturizzazioni per il futuro. La resistenza elettrica non dipende però solo dalla dimensione ma anche dalla sua resistenza o meglio dalla resistività del materiale con il quale è composto. Non a caso si utilizza anche dell’oro che ha resistenza molto piccola. Esiste già adesso però la possibilità di avere materiali a resistenza zero, analizziamo brevemente la questione.

Superconduttori

Si definiscono superconduttori quei materiali che, al di sotto di una data temperatura di transizione, non oppongono alcuna resistenza al passaggio della corrente elettrica ed espellono (completamente o in parte) i campi magnetici presenti al loro interno (Effetto Meissner). Cioè il superconduttore manifesta un diamagnetismo perfetto, espellendo il campo magnetico dal suo interno; ciò avviene tramite la generazione di correnti superficiali che inducono, all'interno del superconduttore, un campo magnetico uguale e contrario a quello applicato. Il diamagnetismo è appunto la proprietà di alcune sostanze di magnetizzarsi in senso opposto al campo applicato La temperatura critica, che è la temperatura al di sotto della quale si manifesta il fenomeno, dipende dalla natura del materiale, dalla quantità di impurezze dislocate al suo interno, dalla presenza di campi magnetici e dalla densità di corrente che attraversa il materiale. Questi fattori ostacolano l'instaurarsi della superconduttività e abbassano la temperatura critica.

Questo sorprendente comportamento della materia è dovuto al moto degli elettroni nei piani cristallini: gli elettroni possono infatti coordinarsi a due a due tramite un'interazione mediata da un fonone: queste coppie, dette coppie di Cooper, possono viaggiare nel reticolo atomico senza urtare i nuclei atomici positivi. Il fonone è una quasiparticella che descrive un quanto di vibrazione in un reticolo cristallino rigido. Detto un po’ all’ingrosso il fonone rappresenta per le vibrazioni elastiche quello che il fotone rappresenta per le onde elettromagnetiche. L'idea di base della teoria di Cooper è la seguente: un elettrone che si muove in un reticolo cristallino esercita una forza di natura elettromagnetica sugli ioni positivi che costituiscono il reticolo stesso. In certe sostanze ed in certe condizioni di temperatura prossime allo zero assoluto, tale forza diviene sufficiente a produrre una distorsione del reticolo attorno all'elettrone in transito, comportando un aumento della densità delle cariche positive intorno all'elettrone stesso. Tale distribuzione di cariche positive, non essendo disturbata dall'agitazione termica, è sufficientemente stabile da attirare un altro elettrone. La coppia così formata, detta appunto Coppia di Cooper, risulta stabile, e più libera di viaggiare nel reticolo in quanto meno soggetta a fenomeni di scattering, ossia di diffusione. Tale teoria che risale agli anni 40 non è però in grado di spiegare perché esistono dei superconduttori con temperatura critica molto più elevata. Allo scopo è stato recentemente introdotta una nuova particella: il polarone che è una quasiparticella composta da un elettrone più il campo di polarizzazione che l'accompagna. La teoria è però ancora allo stadio pionieristico.

La temperatura di transizione dallo stato normale allo stato superconduttore varia molto a seconda del materiale: nei metalli puri è di pochi kelvin sopra lo zero assoluto, mentre è più alta nelle leghe metalliche. In molti materiali ceramici contenenti rame e ossigeno è particolarmente alta: tali ceramiche hanno una temperatura critica di oltre 120 kelvin e permettono di usare semplice azoto liquido, economico e facilmente disponibile, come refrigerante.Per meglio quantificare 120°Kelvin significano 153,15° centigradi sotto zero. Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, i migliori conduttori elettrici (rame, argento, oro) sono i peggiori superconduttori, con temperature critiche estremamente basse e scarsa tolleranza ai campi magnetici; si comportano invece molto bene i cattivi conduttori come il piombo e il niobio, che esibiscono le temperature critiche più alte in assoluto per i metalli puri.

Sebbene il fenomeno in sé non sia una novità (è noto ai fisici fin dai primi anni del '900), nel 1986 destò enorme sensazione la scoperta che una ceramica di Ba-La-Cu-O) Bario, Lantanio, rame e ossigeno diventava superconduttore alla temperatura di circa 35 kelvin. Questa temperatura era significativamente maggiore dei 23 kelvin della migliore lega superconduttrice allora nota. Ulteriori ricerche hanno portato alla scoperta di ceramiche sempre contenenti Rame e Ossigeno, tali da permettere di usare l'azoto liquido (alla temperatura di 77 K) come refrigerante, molto più economico ed efficiente dell'elio. Una temperatura critica tanto alta suggerì la possibile esistenza di un superconduttore a temperatura ambiente, che da allora ha attirato e continua ad attirare in questo settore della fisica fondi e ricercatori in tutto il mondo. Il miglior superconduttore oggi conosciuto ha una temperatura critica di 134K ed è composto da mercurio, bario, calcio, carbonio, uranio e ossigeno. Forse il giorno in cui anche i nostri PC avranno dei processori con leghe superconduttrici è meno lontano di quanto si pensi. Intanto c'è chi ha pensato di precorrere i tempi; ho trovato su Youtube un video in cui si raffreddava manualmente con azoto liquido una scheda madre fino a portarla ad una velocità di 5 GHz dai 3,5 originari. Questo è il link.