Ci sono voluti dieci anni ma alla fine i materiali superconduttori hanno pienamente svelato la loro microstruttura intima di tipo frattale; quella, per intenderci, che assomiglia a degli eleganti arabeschi e che si ritrova in natura in molte forme di materia vivente (rose, broccoli, felci). Con la pubblicazione su Nature di un documentato articolo (Scale-free structural organization of oxygen interstitials in La2CuO41y) sono stati resi noti i risultati di uno studio internazionale coordinato da Antonio Bianconi, dell’Università Sapienza di Roma, in collaborazione con l’Istituto di Cristallografia del Cnr, il London Centre for Nanotechnology, l’University College London e l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). IlSussidiario.net ha incontrato il professor Bianconi.
Quale è stata la motivazione della vostra ricerca, che vi ha portato alla scoperta della microstruttura frattale dei superconduttori?
Si pensa che il mondo macroscopico che vediamo con i nostri occhi (le immagini che vediamo non distinguono oggetti più piccoli di un micron ovvero un milionesimo di millimetro) sia regolata dalle leggi della fisica classica di Galileo e Newton del 1600. Dal 1927, a seguito delle scoperte sperimentali sulla struttura degli atomi e delle teorie sviluppata da un gruppo di giovani ventenni – Pauli, Heisenberg, Fermi, Dirac – sappiamo che nel mondo submicroscopico le leggi della fisica classica non sono corrette e a quelle scale si manifesta il mondo della Meccanica quantistica. Qui domina il principio di indeterminazione e la non località della materia. La nostra ricerca si è focalizzata, in questi ultimi dieci anni, nel cercare di ottenere risultati di fisica sperimentale che svelino come fenomeni fisici quantistici si manifestino nel mondo macroscopico che vediamo con i nostri occhi. Ci siamo posti il problema se un fenomeno quantistico straordinario come la “superconduttività ad alta temperatura” (“alta” rispetto allo zero assoluto) potesse essere facilitato da una particolare architettura del mondo microscopico. La “superconduttività ad alta temperatura” è affascinante per gli scienziati perché in questi metalli un numero enorme di elettroni, le piccole e leggere particelle elementari che compongono tutte le cose che vediamo, si mettono in fase uno con l’altro e formano un unico liquido quantistico ad alta densità e con una dinamica perfettamente ordinata, tale che si comporta come una singola entità quantistica ove il disordine va a zero.
Voi però avete studiato un nuovo tipo di metallo …
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La possibilità di disporre di nuovi metalli sintetici “superconduttori a temperatura ambiente” è il sogno di tutti gli ingegneri che progettano nuovi computer, nuovi treni, nuove reti di distribuzione dell’elettricità, perché la resistenza elettrica è nulla, ovvero non ci sono perdite per riscaldamento dei fili elettrici. La nostra ricerca si è sviluppata verso la definizione dei parametri di progettazione di nuovi materiali “superconduttori a temperatura ambiente” e abbiamo ottenuto diversi brevetti. Come sempre i risultati di interesse tecnologico derivano da scoperte di fisica sperimentale che si pongono problemi fondamentali di cultura scientifica sulla conoscenza del mondo che ci circonda.
Alla base della vostra scoperta c’è un lavoro sperimentale svolto presso l’ESRF. Perché è stato necessario utilizzare la radiazione di sincrotrone?
Abbiamo progettato un nuovo esperimento per ottenere un’immagine, ovvero come scattare una foto, che non mostra gli oggetti nello spazio ma come varia nello spazio l’ordine in cui essi sono disposti. Volevamo vedere a livello macroscopico, con la risoluzione tipica dei nostri occhi, un materiale ceramico particolare (un superconduttore ad alta temperatura) sospettato per essere disordinato, ma di cui nessuno sapeva il livello di disordine. Per ottenere queste immagini occorreva un nuovo tipo di microscopio: “un microscopio a diffrazione di raggi X”. Questo strumento richiede un fascio di raggi X focalizzato in uno spot di un micron (un milionesimo di metro) che solo la radiazione di sincrotrone emessa dall’anello dell’ESRF può produrre.
Come si è sviluppata la ricerca? Cosa avete esaminato in particolare?
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Il nuovo microscopio è stato usato per vedere la mappa dell’ordinamento degli atomi di ossigeno mobili dentro il materiale. Abbiamo messo a punto nel nostro laboratorio, negli scantinati dell’università La Sapienza, le procedure termiche di trattamento del materiale ceramico per la manipolazione dell’ordine di questi ioni di ossigeno nel materiale ceramico; un metodo che ricorda quelli tradizionali dell’Italia rinascimentale nel trattamento delle ceramiche. Poi siamo andati all’ESRF per ottenere le immagini.
Che cosa avete scoperto?
Non ce lo aspettavamo… È stata una sorpresa. Osservando le immagine uscite dal microscopio, elaborando decine di migliaia di immagini di diffrazione ed esaminando la loro distribuzione abbiamo scoperto che la distribuzione di intensità era simile a quella dei terremoti e la distribuzione spaziale chiaramente simile a quelle strutture frattali che si vedono nei sistemi biologici. Ci siamo subito chiesti: è questa allora la struttura che favorisce la superconduttività ad alta temperatura? Abbiamo allora osservato che più il sistema era frattale più alta era la temperatura critica, cioè quella che porta al comportamento superconduttivo.
Questa scoperta potrà rendere più vicina la costruzione di superconduttori a temperatura ambiente?
Molti pensano di sì. I nostri dati sembrano mostrare che la struttura frattale favorisce la più alta temperatura critica.
Quali sono le applicazioni più interessanti prevedibili?
Pensiamo che ci siano molte applicazioni possibili. Si è aperta una nuova finestra sul mondo della materia complessa e sul controllo del mondo quantistico per lo sviluppo di nuovi materiali per nuove tecnologie. La scoperta di nuovi materiali ha cambiato il mondo degli umani come quando si è passati dall’età del bronzo a quella del ferro, e nel secolo passato dall’età delle valvole elettroniche all’età dei semiconduttori (ovvero della manipolazione del silicio). I superconduttori a temperatura ambiente favoriranno ricadute impensabili per la tecnologia del secondo millennio: computer quantistici e treni superveloci (come il progetto Maglev, da Tokyo a Osaka in 40 minuti), nuove reti di distribuzione elettrica senza perdita di energia (allo stadio di progetto in Cina) o centrali solari estese che dal deserto del Sahara porterebbero energia in Europa. Traguardi che forse raggiungeremo nei prossimi venti anni.
