In un materiale superconduttore, al di sotto di una certa temperatura critica, un elettrone che si propaga nel reticolo cristallino e urta con uno ione positivo, anziché perdere energia sotto forma di calore, provoca delle vibrazioni nel reticolo che coinvolgono anche un elettrone vicino. Esso viene attratto dal primo elettrone e i due formano una coppia di Cooper. Le coppie di Cooper, tutte nello stesso stato quantico, conducono la corrente senza incontrare resistenza. (Cortesia: M. Chernodub)
Purché ci sia un campo magnetico esterno
di Silvia Fracchia
Sembra proprio che la meccanica quantistica provi un piacere tutto suo nel dimostrarci in continuazione come le cose, in Natura, vadano in modo molto diverso da come noi saremmo portati ingenuamente a pensare. Se già non è stato facile digerire il fatto che una particella, in realtà, si propaghi come un pacchetto d’onde o che, se spedita contro una barriera di energia più alta di lei, invece di essere rimbalzata all’indietro potrebbe essere in grado di passarci attraverso, sarà ancora più arduo digerire l’ultima novità: il vuoto può diventare un superconduttore.
L’autore di questa bizzarra scoperta è Maxim Chernodub, fisico teorico dell’Università di Tours, in Francia. Utilizzando un modello di cromodinamica quantistica (QCD), la teoria che descrive l’interazione forte tra quark e gluoni, Chernodub è riuscito infatti a dimostrare che il vuoto, sotto l’azione di un campo magnetico esterno eccezionalmente forte, è soggetto a una transizione di fase spontanea che lo porta in uno stato di superconduttività. Il tutto è raccontato in un articolo pubblicato su “Physical Review Letters” http://prl.aps.org/
Diciamo anzitutto una cosa: il vuoto non è poi così vuoto e la radiazione di Hawking, ad esempio, la dice lunga su questo. Se la legge di conservazione dell’energia è sacra, il principio di indeterminazione di Heisenberg lo è ancora di più e ci dice che piccole quantità di energia possono crearsi dal nulla, purché ciò avvenga per tempi brevissimi. Dunque coppie di particelle e antiparticelle possono apparire nel vuoto, ma devono avere una vita molto breve. Tuttavia la loro presenza può essere rivelata dalle interazioni con le particelle reali: se infatti si introducesse un elettrone nel vuoto quantistico, popolato da coppie di elettroni e positroni virtuali, questi andrebbero a schermarne la carica elettrica e, in modo analogo, un quark vedrebbe schermata la propria carica di colore a causa della presenza di coppie di quark e antiquark virtuali.
In definitiva, possiamo pensare al vuoto come a un continuo apparire e scomparire di particelle virtuali. A questo punto la domanda sorge spontanea: è possibile che, in qualche modo, queste particelle da virtuali diventino reali? La risposta sembra essere negativa: in questo caso non c’è Heisenberg che tenga e la conservazione dell’energia sarebbe violata. Le particelle virtuali, in pratica, dovrebbero diventare reali, ma senza dare alcun incremento di energia all’universo. Impossibile? I calcoli di Chernodub dicono di no. Facendo agire un forte campo magnetico esterno, il momento di dipolo magnetico di cui una particella virtuale è dotata, al pari di qualunque altra reale, tenderà ad allinearsi con la direzione del campo e questo processo ha come risultato una riduzione dell’energia totale. Ecco allora che, se il campo è sufficientemente intenso, si può avere il passaggio da particella virtuale a reale senza violare la conservazione dell’energia. Ma c’è di più: le particelle reali andranno a formarsi tutte nello stesso stato quantico, saranno pertanto indistinguibili e si propagheranno come una corrente libera senza incontrare resistenza.
Tutto ciò è in piena analogia con il fenomeno della superconduttività, che si verifica in alcuni materiali dove, al di sotto di una certa temperatura critica, coppie di elettroni di spin opposto (le coppie di Cooper vanno a trovarsi tutte nello stesso stato quantico e possono fluire senza resistenza da parte del reticolo cristallino. Nel caso del vuoto l’elemento discriminante non è la temperatura, bensì il campo magnetico: al di sopra di un certo valore di esso, avremo la transizione del vuoto a superconduttore.
Chernodub, facendo riferimento nei suoi conti ai mesoni rho, un tipo di bosoni vettori (http://en.wikipedia.org/wiki/Vector_boson) leggeri, ha trovato che il valore critico di campo magnetico risulta essere di 1016 Tesla: un numero spropositato, se si pensa che il più elevato campo magnetico conosciuto al giorno d’oggi è quello delle magnetar, particolari stelle di neutroni che possiedono un campo di 1011 Tesla.
Mesoni rho carichi positivamente (formati da un quark u e un antiquark d) e negativamente (formati da un quark d e un antiquark u) con momento magnetico allineato nella direzione del campo. Essi si trovano tutti nello stesso stato quantico e si propagano trasportando corrente senza resistenza. (Cortesia: M. Chernodub)
Dunque per ora il trasporto di corrente nel vuoto senza dissipazione di potenza resta una mera utopia. Tuttavia questa teoria potrebbe avere interessanti implicazioni cosmologiche: se pure oggi non abbiamo evidenza di campi magnetici così elevati, questi possono essere esistiti nell’universo primordiale e, di conseguenza, la superconduttività può aver influenzato la formazione delle strutture cosmiche. Inoltre gli studi di Chernodub hanno dato nuovo lavoro ai fisici dei grandi collisionatori, come il Large Hadron Collider, dove questi campi magnetici possono comparire per brevissimi istanti. Staremo a vedere.
Chernodub, M. (2011). Spontaneous Electromagnetic Superconductivity of Vacuum in a Strong Magnetic Field: Evidence from the Nambu–Jona-Lasinio Model Physical Review Letters, 106 (14) DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.142003 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.106.142003
Fonte: http://www.stukhtra.it/?p=5915
Vedi: http://it.wikipedia.org/wiki/Wardenclyffe_Tower http://www.mednat.org/new_scienza/tesla_scomodo2.htm https://www.altrogiornale.org/news.php?item.6857.7 http://members.fortunecity.es/energratis/elf/eng/vlf.htm