6.11 Superconduttività ed effetto Josephson

Indice ／ Capitolo 6: Dominio quantistico

I. Fenomeni e domande

Quando raffreddiamo abbastanza alcuni metalli o ceramiche, la resistenza scende sotto il misurabile e una corrente può circolare per anni senza decadere. Il campo magnetico applicato viene espulso dal volume e penetra solo come tubi di flusso quantizzati. Se separiamo due superconduttori con una barriera isolante sottilissima, scorre una corrente stabile anche senza tensione; sotto irradiazione ad alta frequenza, la tensione mostra scalini discreti.

Queste firme — resistenza nulla, diamagnetismo perfetto (con penetrazione quantizzata), supercorrente a zero bias e scalini in radiofrequenza — portano a domande immediate: perché la “frizione” svanisce raffreddando? perché il campo entra solo in quanti fissi? come fa una corrente ad attraversare un isolante e perché le microonde ritagliano plateaux regolari di tensione?

II. Lettura secondo EFT: coppie elettroniche con fase bloccata, chiusura collettiva dei canali dissipativi, staffetta coerente oltre la barriera

1. Prima accoppiare, poi cucire la fase.
   Nella Teoria dei Filamenti di Energia (EFT) l’elettrone è un avvolgimento stabile; lo strato esterno interagisce con la “mare di energia (Energy Sea)” e con il reticolo. Abbassando la temperatura le vibrazioni del reticolo calano e, in alcuni materiali, si apre un “corridoio di tensione” più liscio lungo il quale due elettroni si seguono con orientazioni opposte formando una coppia elettronica. L’accoppiamento sopprime o attenua molti canali dissipativi. Un ulteriore raffreddamento allinea le fasi esterne di molte coppie e stende una rete di fase comune a tutta la campione: una sorta di “tappeto fluido”.
2. Perché resistenza zero: chiudere insieme le perdite.
   La resistenza ordinaria nasce da microcanali che riversano energia nell’ambiente (impurezze, fononi, rugosità). Con il tappeto di fase disteso, pieghe locali che romperebbero la coerenza faticano a nucleare e la soglia di perdita cresce bruscamente. Finché la sollecitazione non strappa il tappeto, la corrente non perde energia: si misura resistenza nulla.
3. Perché espulsione e quantizzazione del flusso: la fase rifiuta la torsione.
   Per restare liscia, la moquette di fase non può essere attorcigliata a piacere dal campo. Nascono correnti di schermo superficiali che respingono il campo (Meissner). In certi materiali il campo entra come tubi sottili; ognuno impone un numero intero di giri di fase: quantizzazione del flusso. Si può vedere ogni tubo come un nucleo cavo di tensione attorno a cui la fase si avvolge; i tubi si respingono e possono formare reticoli geometrici.
4. Perché la corrente Josephson: staffetta coerente in una fenditura quasi critica.
   Due tappeti di fase separati da un isolante ultrafino creano una fessura in stato prossimo alla soglia. Attraverso quella fessura le fasi si passano il testimone in modo coerente: non sono particelle a “spingere”, ma un ponte di fase corto che viene cucito tra i lati.
   • Se i due lati vanno a tempo, il ponte trasmette la fase e scorre una supercorrente continua a tensione nulla (Josephson dc).
   • Se i tempi differiscono — per una tensione continua o una radiofrequenza applicata —, la differenza di fase avanza regolarmente o si blocca sull’eccitazione; il ponte pompa supercorrente a ritmi fissati: risposta ac e scalini di tensione sotto microonde.
5. Perché non è perfetto ovunque: difetti e strappi riaprono le perdite.
   Correnti grandi, campi forti, temperatura più alta o siti di pinning per vortici quantizzati tirano il tappeto, aprono fori e fanno uscire energia: compaiono corrente critica, picchi dissipativi e non linearità.

III. Scenari tipici

• Due famiglie di superconduttori.
  Alcuni respingono quasi tutto il campo e cedono bruscamente oltre una soglia; altri lasciano entrare il flusso in tubi, formano reticoli di vortici ad alto campo e continuano a portare corrente. In pratica, il tappeto di fase tollera la torsione in modo diverso.
• Anelli superconduttivi e correnti persistenti.
  Su un anello chiuso la fase deve compiere un numero intero di giri; senza strappi, la corrente persiste. Se il flusso è non intero, il sistema salta allo stato intero più vicino, creando livelli discreti e stabili.
• Giunzioni tunnel e legami deboli.
  In una fenditura ultrafine scorre supercorrente a bias zero; con microonde, la tensione si blocca su scalini regolari: è il segno del blocco di fase a un ritmo esterno.
• Anelli in parallelo: interferometri.
  Due “ponti di fase” in anello raccolgono sfasamenti diversi dal flusso esterno; la supercorrente oscilla periodicamente con il flusso e consente magnetometria ultrasensibile.

IV. Impronte osservabili

• Caduta brusca alla resistenza zero a una temperatura critica.
• Diamagnetismo perfetto o reticoli di tubi di flusso.
• Supercorrente a zero tensione e corrente critica ben definita.
• Scalini di tensione sotto radiofrequenza (blocco di fase).
• Periodicità d’interferenza negli anelli.
• Pinning e slittamento dei vortici: i difetti riducono le perdite e innalzano la corrente critica; vortici in moto generano picchi dissipativi.

V. Convergenza con la descrizione convenzionale

• La teoria convenzionale usa un parametro d’ordine macroscopico (ampiezza complessa con fase) per descrivere il condensato di coppie. La resistenza zero nasce da flusso di fase senza dissipazione; il diamagnetismo da una fase che rifiuta la torsione; quantizzazione del flusso e vortici dal vincolo di avvolgimenti interi.
• L’EFT racconta gli stessi fatti in chiave geometrica tangibile: coppia elettronica = avvolgimenti accoppiati; tappeto di fase = rete di fase comune sull’intero campione; resistenza zero = chiusura collettiva dei canali di perdita; quantizzazione di flusso = difetti topologici a nucleo cavo; effetto Josephson = ponte di fase corto cucito su una fenditura quasi critica. I fenomeni e le relazioni quantitative coincidono; l’EFT aggiunge un racconto “di fili e mare” più materiale.

VI. In sintesi

La superconduttività non significa che gli elettroni diventino “perfetti” all’improvviso. Accade perché si accoppiano, poi bloccano la fase e tessono insieme un tappeto comune:

• Con sollecitazione lieve, il tappeto chiude le perdite → resistenza zero.
• Il tappeto rifiuta torsioni arbitrarie → espulsione del campo o ingresso solo in vortici quantizzati.
• Tra due tappeti, una fenditura quasi critica consente di cucire un ponte di fase → supercorrente a zero bias; con microonde, si blocca su scalini regolari.

In una riga: accoppiare, bloccare la fase, passare il testimone oltre la barriera — è qui che sta la “magia” della superconduttività e dell’effetto Josephson.