Magnet stabilisce il record mondiale a 45.5 Tesla

È il più forte campo magnetico continuo DC mai registrato e potrebbe aiutare gli scienziati a studiare la fusione nucleare e gli stati esotici della materia

Un nuovo elettromagnete multicomponente, parzialmente superconduttore – attualmente il magnete DC più forte al mondo di qualsiasi tipo – è pronto a rivelare un percorso per magneti sostanzialmente più forti ancora. La nuova tecnologia del magnete potrebbe aiutare gli scienziati a studiare molti altri fenomeni tra cui la fusione nucleare, stati esotici della materia, molecole “shape-shifting” e razzi interplanetari, per citarne alcuni.

Il National High Magnetic Field Laboratory di Tallahassee, Florida è sede di quattro tipi di magneti avanzati, ultra-forte. Uno supporta gli studi di risonanza magnetica. Un altro è configurato per la spettrometria di massa. E un altro tipo produce i campi magnetici più forti del mondo. (I campus MagLab gemelli dell’Università della Florida e del Los Alamos National Laboratory forniscono altri tre magneti ad alta capacità per altri campi di studio.)

È quell’ultima categoria nel campus di Tallahassee – il magnete più forte del mondo – che l’ultima ricerca sta cercando di completare. Il cosiddetto MagLab DC Field Facility, in funzione dal 1999, si sta avvicinando al limite della forza dei campi magnetici che può produrre con i suoi attuali materiali e tecnologie.

Il magnete DC del MagLab mantiene un costante 45 Tesla di forza di campo, che fino a poco tempo fa era il più forte campo magnetico continuo prodotto nel mondo. (Da non confondere con l’omonima marca di auto elettriche, Tesla è anche un’unità di forza del campo magnetico. Più alto è il suo rating Tesla, più forte è il magnete. Per fare un confronto, una tipica macchina per la risonanza magnetica è costruita intorno a un magnete superconduttore con circa 3 Tesla di forza di campo. Il campo magnetico terrestre, sentito sulla superficie del pianeta, è 0,00005 T.)

Il nuovo magnete di ricerca supera il magnete MagLab DC Field di un pelo, mantenendo un campo continuo di 45,5 T. Ma non è il leggero vantaggio in forza che offre tale promessa, dice David Larbalestier, capo scienziato dei materiali al Magnetic Field Laboratory.

“Questa è una testa di ponte nel territorio di 50 Tesla”, dice Larbalestier.

Il nuovo magnete, descritto in una recente lettera alla rivista Nature, utilizza un materiale superconduttore ad alta temperatura, raffreddato alle temperature dell’elio liquido che usano i superconduttori della vecchia scuola. Il raffreddamento di questo particolare superconduttore al di sotto della sua temperatura critica (la temperatura sotto la quale perde tutta la resistività elettrica) aumenta effettivamente la sua capacità di gestire correnti più elevate. E correnti più elevate si traducono, naturalmente, in campi magnetici più elevati.

I superconduttori più vecchi, come quelli usati nei magneti per la risonanza magnetica, non possono gestire campi magnetici che superano i 30 Tesla, dice Larbalestier. Le coppie di Cooper di elettroni, chiave per le proprietà quantistiche superconduttive del materiale, diventano troppo instabili, così il superconduttore perde le sue proprietà di resistenza zero, e diventa come un’autostrada a otto corsie portata a un punto morto.

Evitare un cosiddetto “quench” catastrofico è essenziale per operare un magnete superconduttore per lunghi periodi di tempo. (I magneti superconduttori del Large Hadron Collider hanno notoriamente sofferto di questo problema nel 2008.)

“Li stiamo facendo funzionare in elio liquido, perché la superconduttività diventa più forte, più bassa è la temperatura”, dice Larbalestier. “E quello che vogliamo evitare è la distruzione della superconduttività da parte del campo magnetico.”

L’altra innovazione che aiuta il magnete a evitare o ridurre il quenching è la sua mancanza di isolamento. Larbalestier dice che un tipico elettromagnete avrebbe un isolamento elettrico tra gli strati di nastro superconduttore.

Ma il suo gruppo ha scoperto che il nastro non isolato posato strato su strato – come più bende Ace avvolte intorno alla caviglia di un atleta – si comporta un po’ come un superconduttore spesso a singolo strato.

Così un ostacolo o un’impurità nel reticolo superconduttore potrebbe, in un pezzo di nastro monostrato fatto di ossido di rame e bario di terre rare (REBCO), aver impedito le coppie di Cooper e riscaldato quella sezione del superconduttore oltre la temperatura di transizione. E questo è un quench, il che significa che il gioco è finito per il forte campo del magnete.

Evitare l’isolamento permette alle coppie di Cooper di aggirare un’impurità nel reticolo, evitando il quench.

Il team di ricerca ha costantemente migliorato la capacità del magnete di gestire campi più forti. (Hanno anche aumentato il campo posizionando il magnete superconduttore all’interno di un magnete più grande in rame e argento.)

“Siamo ancora interessati a spingere le frontiere”, dice Larbalestier. “Così l’interno del nuovo magnete utente da 32 T è fatto di questo nastro REBCO. E abbiamo visto l’opportunità di ottenere nuove varianti del nastro… che erano molto sottili-e un nuovo metodo di costruzione di un magnete superconduttore senza isolamento, inventato dall’autore principale del nostro documento, Seungyong Hahn.”

Il gruppo pensa di poter iterare la loro tecnologia almeno negli anni 50 di Tesla di intensità di campo. Ma Larbalestier non vede alcuna chiara ragione per cui dovrebbero fermarsi lì.

“Il vero significato qui è che si tratta di una convalida di questi superconduttori di ossido di rame e bario delle terre rare per l’uso di campi molto alti a basse temperature”, dice. “E penso che dica chiaramente che la strada per 60 Tesla … è, in linea di principio, ora aperta.”

Questo post è stato aggiornato il 18 giugno 2019.