Perché i superconduttori levitano?

Ma come, zio Pachino, i superconduttori levitano? Stai mica a raccontarci che abbiamo trovato la DeLorean per viaggiare nel tempo? Calma, calma, non stiamo mica parlando di maghi o di fantascienza pura, anche se l’effetto è a dir poco spettacolare. Immaginate un treno che sfreccia a 500 km/h senza toccare i binari, o un computer quantistico che fa il lavoro di migliaia di server attuali. Mica male, vero? E tutto questo, o almeno una parte fondamentale, si deve a questi strani materiali chiamati superconduttori. La magia qui sta nella fisica, una fisica che, a volte, sembra uscita da un romanzo di Jules Verne. Siete pronti a scoprire come si fa a far levitare un pezzo di metallo (o quasi) con la sola forza della fisica? Allacciate le cinture, si parte!

La vera magia: l’effetto Meissner

Allora, partiamo con la domanda che ronza nelle vostre teste come un’ape in primavera: perché questi superconduttori, quando li mettiamo nelle giuste condizioni, se ne stanno lì sospesi, sfidando la gravità? La risposta, cari miei, ha un nome altisonante e un po’ difficile da pronunciare, ma è la chiave di tutto: l’effetto Meissner. Non è che il superconduttore si stanchi di stare per terra e decida di farsi un giro in aria. No, no. È una proprietà intrinseca di questi materiali quando si trovano al di sotto di una certa temperatura critica. Diciamo che la natura, in certi casi, fa dei regali incredibili agli scienziati.

Quando un materiale diventa superconduttore, smette di opporre resistenza al passaggio della corrente elettrica. Fin qui, tutto bene, ma non spiega la levitazione. La vera botta di genio arriva con l’effetto Meissner. In pratica, un superconduttore perfetto non solo non offre resistenza al passaggio di corrente, ma espelle completamente il campo magnetico dal suo interno. Pensatela così: il superconduttore crea delle correnti elettriche superficiali che generano un campo magnetico opposto a quello esterno, annullandolo all’interno. È come se dicesse al magnete: “Ehi amico, qui non passi, vattene un po’ più in là!”. E se il magnete non può passare, non può neanche “attaccarsi” al superconduttore.

Ma questo come porta alla levitazione? Semplice! Se posizioniamo un magnete sopra un superconduttore (raffreddato a sufficienza, mi raccomando, altrimenti è solo un pezzo di metallo come un altro), il magnete creerà delle linee di campo magnetico. Il superconduttore, in risposta, genererà delle correnti superficiali che genereranno un campo magnetico opposto. Questo campo magnetico di risposta “spinge” via il campo magnetico del magnete, creando una sorta di cuscino invisibile che sostiene il magnete stesso. Non è che il superconduttore “spinge” il magnete verso l’alto con la forza bruta, è più un rifiuto del campo magnetico che genera una repulsione tale da contrastare la gravità. Un vero e proprio “non mi tocchi” magnetico, con conseguenze spettacolari.

Ma cosa sono ‘sti superconduttori?

Ok, abbiamo capito che questi superconduttori hanno delle proprietà magnetiche da far invidia ai calamite più potenti, ma cosa sono esattamente? Beh, non sono mica oggetti esoterici che trovi solo nei laboratori di fisica più segreti. Sono materiali, spesso leghe metalliche o ceramiche, che, se sottoposti a temperature molto, molto basse, perdono completamente la loro resistenza elettrica. Pensateci, voi quando state al freddo che fate? Vi mettete un maglione. Questi materiali, invece, fanno di meglio: diventano conduttori perfetti.

La scoperta originale risale al lontano 1911, grazie al fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes, che notò come il mercurio, raffreddato a temperature vicine allo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius), perdesse ogni forma di resistenza elettrica. Da allora, la ricerca è andata avanti a passi da gigante, portando alla scoperta di superconduttori ad alta temperatura (HTS). “Alta temperatura” si fa per dire, eh! Parliamo comunque di temperature ben al di sotto dello zero, ma significativamente più raggiungibili rispetto ai tempi di Onnes. Già perché raffreddare qualcosa a -270°C è una bella rogna, ma a -196°C (la temperatura dell’azoto liquido, che è più facile da gestire) è già un altro discorso.

Ci sono due categorie principali:

Questi materiali hanno aperto scenari incredibili per la tecnologia, perché la corrente che ci scorre dentro non spreca energia in calore. E con la levitazione, beh, le applicazioni diventano ancora più affascinanti.

Il segreto del raffreddamento: criogenia a go-go!

Abbiamo detto che la levitazione avviene solo sotto una certa temperatura. E qui casca l’asino, o meglio, qui si mette di mezzo la criogenia. Per fare in modo che un materiale diventi superconduttore e manifesti l’effetto Meissner, dobbiamo raffreddarlo parecchio. Non si tratta di metterlo in frigo, purtroppo. Parliamo di temperature che si avvicinano allo zero assoluto, dove le molecole quasi non si muovono più. Per ottenere queste temperature, si utilizzano fluidi refrigeranti speciali.

I più comuni sono:

• Elio liquido: la temperatura di ebollizione è circa 4,2 Kelvin (-269 °C). È il re del raffreddamento per le temperature più basse, ma è anche costoso e un po’ ostico da maneggiare.
• Azoto liquido: bolle a 77 Kelvin (-196 °C). È molto più economico e facile da trovare rispetto all’elio, ed è perfetto per la maggior parte dei superconduttori ad alta temperatura (HTS).

Quindi, per vedere i nostri superconduttori levitare allegramente, abbiamo bisogno di una bella “bagnetto” in uno di questi liquidi criogenici. Non è proprio come prepararsi un tè caldo, ma il risultato è garantito. E immaginate la scena: un piccolo cilindro di materiale che galleggia tranquillamente a qualche centimetro da un magnete, senza fili, senza supporti, solo con la forza della fisica quantistica e un po’ di freddo siderale. Spettacolo puro!

Oltre la levitazione: le applicazioni dei superconduttori

Ma la levitazione non è l’unico trucco di questi materiali prodigiosi. Anzi, è quasi un effetto collaterale curioso, se vogliamo, di una proprietà fondamentale: l’assenza di resistenza elettrica. Questo significa che la corrente può scorrere in modo infinitamente efficiente. E questo, amici miei, apre porte che fino a qualche anno fa erano solo nei film di fantascienza.

Pensate ai treni a levitazione magnetica (maglev). Non solo i superconduttori permettono la levitazione, ma la loro capacità di generare campi magnetici potentissimi e stabili, senza dispersioni di energia, è fondamentale per la propulsione e la stabilità di questi convogli futuristici. Si galleggia letteralmente sopra i binari, riducendo l’attrito a zero e raggiungendo velocità da capogiro. Praticamente il futuro del trasporto, reso possibile da questi materiali che amano il freddo.

Poi ci sono le risonanze magnetiche (MRI) negli ospedali. I potenti magneti utilizzati per ottenere immagini dettagliate del corpo umano funzionano grazie a bobine superconduttrici raffreddate con elio liquido. Senza di loro, le macchine sarebbero molto più grandi, meno efficienti e, diciamocelo, decisamente più costose. Quindi, la prossima volta che vi fanno una risonanza, ricordatevi che un pezzettino di fisica quantistica fredda sta lavorando per voi.

E non dimentichiamo i reattori a fusione nucleare come ITER. Per confinare il plasma rovente, che raggiunge temperature di milioni di gradi, servono campi magnetici incredibilmente potenti e precisi. E chi li genera? Esatto, enormi bobine superconduttrici. Insomma, i superconduttori sono i veri eroi silenziosi di molta della tecnologia avanzata che ci circonda, anche se spesso li vediamo solo levitare in una vetrina del museo di fisica.

Il futuro è (freddamente) luminoso

La ricerca sui superconduttori è un campo in continua evoluzione. Gli scienziati sono sempre alla ricerca di materiali che funzionino a temperature più alte, rendendo le applicazioni ancora più accessibili e convenienti. Immaginate superconduttori che funzionano a temperatura ambiente, senza bisogno di criogenia! Sarebbe una rivoluzione epocale. Questo potrebbe portare a reti elettriche senza perdite, computer quantistici ultra-potenti, levitazione magnetica diffusa e chissà cos’altro.

La fisica dei superconduttori è un ramo affascinante che unisce la meccanica quantistica a sfide ingegneristiche non da poco. Capire come gli elettroni riescano a “coppiare” e a muoversi all’unisono, eludendo le imperfezioni del reticolo cristallino, è una delle grandi meraviglie della fisica moderna. E mentre aspettiamo la scoperta del superconduttore “universale” (magari sotto il sole!), possiamo goderci lo spettacolo della levitazione, che ci ricorda come la natura sia piena di sorprese, soprattutto quando le diamo un piccolo aiuto con un po’ di freddo.

Domande frequenti

I superconduttori levitano solo sopra i magneti?

No, la levitazione che vediamo è l’effetto Meissner, che consiste nell’espulsione del campo magnetico da parte del superconduttore. Questo crea una repulsione verso un magnete esterno che lo fa levitare. È la forza del campo magnetico del superconduttore che contrasta la gravità.

I superconduttori funzionano solo a temperature bassissime?

Storicamente sì, ma la ricerca sui superconduttori ad alta temperatura (HTS) ha portato materiali che diventano superconduttori a temperature più elevate, anche se ancora molto fredde, tipicamente raggiungibili con l’azoto liquido. Si sogna ancora il superconduttore a temperatura ambiente!

La levitazione dei superconduttori è stabile?

Sì, può esserlo molto. L’effetto Meissner, specialmente con certi tipi di superconduttori, può creare una levitazione stabile, tanto che il magnete può rimanere sospeso anche se si rovescia il sistema. È un fenomeno chiamato “flux pinning”, dove le linee di campo magnetico rimangono “bloccate” nel superconduttore.

Posso fare esperimenti con i superconduttori a casa?

Teoricamente sì, ma è sconsigliato senza adeguate conoscenze e attrezzature. Manipolare azoto liquido o elio liquido comporta rischi significativi, e i superconduttori stessi richiedono condizioni precise per funzionare. Meglio godersi lo spettacolo nei laboratori o nei musei!