Articoli: Scienza

Controllare il trasferimento di calore con il campo magnetico

  Autore: n/a

  sabato 22 dicembre 2012 ore: 00:00:00 - letto [ 2367 ]

SQUID.jpg,

Una ricerca condotta al NEST di Pisa ha dimostrato la possibilità di modulare il flusso di calore in un dispositivo microscopico superconduttore. Il risultato sperimentale ha confermato una previsione teorica di quasi cinquant'anni fa e ha aperto la strada a dispositivi in cui l'informazione è scambiata con trasferimenti di calore invece che con segnali elettrici.

La conducibilità termica di un materiale può essere cambiata con l'applicazione di un campo magnetico: il fenomeno, previsto cinquant'anni fa, è stato ora verificato sperimentalmente da Francesco Giazotto e Maria José Martínez-Pérez del Laboratorio NEST di Pisa, che firmano in proposito un articolo sulla rivista “Nature”.

Nel 1962, quando era ancora laureando, il fisico gallese Brian Josephson, scoprì l'effetto che ora porta il suo nome e che gli valse il Nobel per la fisica nel 1973 mentre studiava possibili fenomeni connessi a due metalli superconduttori posti molto vicini ma non a contatto. In questi materiali la corrente fluisce senza incontrare resistenza ed è costituita da elettroni tra loro accoppiati in virtù di un fenomeno quantistico frutto dell'interazione tra gli elettroni stessi e i fononi, ovvero gli stati collettivi di eccitazione degli ioni che costituiscono il reticolo cristallino metallico.

Il fenomeno può essere compreso in termini intuitivi nell'ambito della fisica classica tenendo conto che in un metallo un elettrone si comporta normalmente come una particella libera: viene respinto dagli altri elettroni e attratto dagli ioni positivi che costituiscono il reticolo cristallino del metallo. Al passaggio degli elettroni, il reticolo viene lievemente distorto, con un aumento di densità di carica positiva lungo il tragitto che può attrarre altri elettroni. Questa struttura dinamica è sufficiente a forzare gli elettroni a mettersi a coppie, denominate coppie di Cooper, che non interagendo con l’agitazione termica degli ioni del metallo procede virtualmente senza incontrare resistenza.

Josephson scoprì che le coppie di Cooper che costituiscono la corrente superconduttrice, o "supercorrente", è in grado di attraversare la distanza che separa i due materiali senza dover applicare una tensione elettrica, anche se i due superconduttori sono separati da un materiale isolante. Un fenomeno importante è che l'intensità della supercorrente dipende dal fatto che i due estremi della separazione siano o meno in fase, una proprietà associata alla funzione d'onda quantistica che descrive il comportamento delle coppie di Cooper nel materiale. Tutte queste proprietà elettriche sono connesse a qelle termiche, perché gli elettroni possono trasportare parte del calore lungo il materiale. Quindi la conducibilità termica è proporzionale a quella elettrica, come stabilito dalla legge di Wiedemann–Franz.

Questo sistema appena descritto, che costituisce la cosiddetta giunzione Josephson, consente di realizzare un altro dispositivo di grande importanza pratica, perché permette misurazioni del campo magnetico estremamente precise: lo SQUID (acronimo di superconducting quantum interference device). Nello SQUID, due superconduttori formano un circuito chiuso, interrotto in due punti da un tratto di materiale isolante. In quest’ultimo studio, Giazotto e Martínez-Pérez hanno concentrato la loro attenzione su uno SQUID lungo diversi micrometri. Prima ne hanno riscaldato un estremo e raffreddato l'altro, poi hanno misurare la temperatura di un elettrodo a esso collegato per verificare come avveniva il trasferimento di calore al variare del flusso di campo magnetico nel circuito.

Le misurazioni hanno verificato che le variazioni di flusso di campo magnetico consentivano di modulare il trasferimento di calore attraverso il dispositivo, in pieno accordo con le previsioni teoriche fatte nel 1965 da Kazumi Maki e Allan Griffin. Questo interferometro termico di Josephson – come è stato battezzato il dispositivo – ha prodotto oscillazioni di temperatura dipendenti da flusso magnetico fino a 21 millikelvin di ampiezza.

L’aspetto più intrigante della faccenda è una parziale inversione del normale verso del flusso di calore, che fluisce dal materiale più freddo a quello più caldo, con un’apparente violazione del secondo principio della termodinamica. In realtà, è solo il calore trasmesso dagli elettroni che può anche essere invertito, mentre, complessivamente il flusso netto rimane sempre dalla regione più calda a quella più fredda.

Ma quale potrebbe essere l’applicazione pratica della capacità di controllare il flusso di calore con il campo magnetico? È difficile fare previsioni, ma gli autori già pensano alla realizzazione di dispositivi “caloritronici” in cui l’informazione viene scambiata con trasferimenti di calore invece che con segnali elettrici.



 * Click sulla foto per ingrandirla


 

Link

fonte
http://www.lescienze.it/news/2012/1...

Link

Articolo pubblicato su Nature
http://www.nature.com/nature/journa...








 

® Copyright 2005 - 2019 - SITO MBGraphicsFilms