Effetto Meissner: perché un magnete levita sui superconduttori

Un piccolo magnete che fluttua immobile a mezz'aria sopra una piastrina, avvolto da una nebbiolina gelida: è una delle immagini più affascinanti della fisica. Quella levitazione non è un trucco, ma la manifestazione visibile di un fenomeno straordinario, la superconduttività, e in particolare di una sua firma inconfondibile, l'effetto Meissner. A temperature bassissime, alcuni materiali perdono completamente la resistenza elettrica e respingono i campi magnetici, comportandosi in modi che sembrano sfidare l'intuizione.

La scoperta del 1911: la resistenza che sparisce

Tutto cominciò nel 1911 a Leida, nei Paesi Bassi, nel laboratorio del fisico Heike Kamerlingh Onnes, un maestro nell'arte di raffreddare la materia. Onnes era riuscito per primo a liquefare l'elio, raggiungendo temperature vicine allo zero assoluto (circa -273 °C). Studiando il comportamento del mercurio a queste temperature estreme, osservò qualcosa di sbalorditivo: a circa 4,2 kelvin (poco più di -269 °C), la resistenza elettrica del metallo non diminuiva semplicemente, ma crollava a zero. La corrente poteva scorrere senza alcuna perdita di energia. Per questa e altre scoperte sulle basse temperature, Onnes ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1913.

L'effetto Meissner: espellere il magnetismo

Per oltre vent'anni si pensò che un superconduttore fosse semplicemente un "conduttore perfetto", privo di resistenza. Poi, nel 1933, i fisici tedeschi Walther Meissner e Robert Ochsenfeld scoprirono qualcosa di più profondo. Quando un materiale diventa superconduttore, non si limita a non opporre resistenza: espelle attivamente il campo magnetico dal proprio interno, diventando un perfetto diamagnete. È questo l'effetto Meissner.

È proprio questa espulsione del campo magnetico a permettere la levitazione: il magnete posto sopra un superconduttore viene respinto e resta sospeso, talvolta come "ancorato" a una certa altezza. La differenza rispetto a un semplice conduttore perfetto è cruciale, perché rivela che la superconduttività è un autentico nuovo stato della materia, governato dalla meccanica quantistica, e non solo l'assenza di un difetto.

Perché succede: una danza quantistica

La spiegazione teorica arrivò solo nel 1957, con la cosiddetta teoria BCS (dai nomi di John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer, anch'essi premiati con il Nobel). In un superconduttore, a temperature sufficientemente basse, gli elettroni – che di norma si respingono – si accoppiano in "coppie di Cooper" grazie a sottili interazioni con il reticolo atomico del materiale. Queste coppie si muovono in modo coordinato, come un unico fluido quantistico, e scivolano attraverso il materiale senza urtare gli atomi: ecco perché non c'è resistenza né dispersione di energia sotto forma di calore.

La rivoluzione del 1986: i superconduttori "caldi"

Per decenni la superconduttività richiese temperature vicine allo zero assoluto, ottenibili solo con il costosissimo elio liquido. Tutto cambiò nel 1986, quando Georg Bednorz e Karl Alex Müller, nei laboratori IBM di Zurigo, scoprirono materiali ceramici a base di ossidi di rame (i cuprati) che diventavano superconduttori a temperature molto più alte, sopra i 30 kelvin e poi, con composti successivi, anche oltre i 90 kelvin. Era una soglia decisiva, perché superabile con il ben più economico azoto liquido. La scoperta valse loro il Nobel già l'anno successivo, nel 1987, ed è raccontata nei materiali ufficiali della Fondazione Nobel.

Il magnete "incastrato" a mezz'aria

Chi ha visto le dimostrazioni più spettacolari avrà notato un dettaglio curioso: il magnete non solo levita, ma a volte sembra "bloccato" in una posizione, capace di restare sospeso anche a testa in giù sotto il superconduttore, o di seguire una pista circolare come su una rotaia invisibile. Questo accade nei superconduttori cosiddetti di "secondo tipo", grazie a un fenomeno chiamato ancoraggio del flusso (in inglese flux pinning). In questi materiali il campo magnetico non viene espulso del tutto, ma riesce a penetrare attraverso minuscoli canali, che restano "intrappolati" in posizioni fisse. Il risultato è che il magnete viene tenuto in equilibrio stabile in tutte le direzioni, dando vita al fenomeno noto come "levitazione quantistica". È proprio questa stabilità a rendere i superconduttori interessanti per applicazioni come i trasporti su rotaia magnetica.

A cosa serve, oggi

La superconduttività non è una curiosità da laboratorio: è già parte della nostra vita. I potenti magneti superconduttori sono il cuore delle macchine per la risonanza magnetica (MRI) negli ospedali, capaci di generare campi magnetici intensissimi e stabili. Sono anche alla base dei magneti che curvano i fasci di particelle nel Grande Collisore di Adroni (LHC) del CERN, e vengono studiati per i treni a levitazione magnetica e per il trasporto di energia elettrica senza perdite.

Il sogno degli scienziati è da decenni lo stesso: trovare un materiale che sia superconduttore a temperatura ambiente e a pressione normale. Un simile traguardo rivoluzionerebbe l'elettronica, le reti elettriche e i trasporti, eliminando enormi sprechi di energia. Negli ultimi anni si sono susseguiti annunci entusiastici, alcuni poi ridimensionati o smentiti: un promemoria di quanto la ricerca sia difficile, ma anche di quanto la posta in gioco sia alta. Quel magnete che levita silenzioso nel vapore freddo è, in fondo, la promessa di un futuro a perdita zero.