El óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre ( BSCCO , pronunciado bisko ), es un tipo de superconductor de cuprato que tiene la fórmula química generalizada Bi 2 Sr 2 Ca n −1 Cu n O 2 n +4+ x , siendo n = 2 el más comúnmente estudiado compuesto (aunque n = 1 y n = 3 también han recibido una atención significativa). Descubierto como una clase general en 1988, [1] BSCCO fue el primer superconductor de alta temperatura que no contenía unelemento de tierras raras .
Es un superconductor de cuprato , una categoría importante de superconductores de alta temperatura que comparten una estructura de capas bidimensionales ( perovskita ) (ver figura a la derecha) con superconductividad que tiene lugar en un plano de óxido de cobre. BSCCO e YBCO son los superconductores de cuprato más estudiados.
Por lo general, se hace referencia a tipos específicos de BSCCO utilizando la secuencia de números de iones metálicos. Por lo tanto, Bi-2201 es el compuesto n = 1 ( Bi 2 Sr 2 Cu O 6+ x ), Bi-2212 es el compuesto n = 2 ( Bi 2 Sr 2 Ca Cu 2 O 8+ x ) y Bi-2223 es el compuesto n = 3 ( Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+ x ).
La familia BSCCO es análoga a una familia de talio de superconductores de alta temperatura denominada TBCCO y que tiene la fórmula general Tl 2 Ba 2 Ca n −1 Cu n O 2 n +4+ x , y una familia de mercurio HBCCO de fórmula Hg Ba 2 Ca n −1 Cu n O 2 n +2+ x . Hay otras variantes de estas familias superconductoras. En general, su temperatura crítica a la que se convierten en superconductores aumenta para los primeros miembros y luego disminuye. Así, Bi-2201 tiene T c ≈ 33 K, Bi-2212 tiene T c ≈ 96 K, Bi-2223 tiene T c ≈ 108 K y Bi-2234 tiene T c ≈ 104 K. Este último miembro es muy difícil de sintetizar. .
Alambres y cintas
BSCCO fue el primer material HTS que se utilizó para fabricar prácticos cables superconductores. Todos los HTS tienen una longitud de coherencia extremadamente corta , del orden de 1,6 nm. Esto significa que los granos en un alambre policristalino deben estar en contacto extremadamente bueno, deben ser atómicamente lisos. Además, debido a que la superconductividad reside sustancialmente solo en los planos cobre-oxígeno, los granos deben estar alineados cristalográficamente. Por lo tanto, BSCCO es un buen candidato porque sus granos se pueden alinear mediante procesamiento en fusión o mediante deformación mecánica. La doble capa de óxido de bismuto solo está débilmente unida por las fuerzas de van der Waals. Entonces, al igual que el grafito o la mica , la deformación causa deslizamiento en estos planos BiO y los granos tienden a deformarse en placas alineadas. Además, debido a que BSCCO tiene n = 1, 2 y 3 miembros, estos tienden naturalmente a adaptarse a los límites de grano de ángulo bajo, de modo que de hecho permanecen atómicamente lisos. Por lo tanto, los cables HTS de primera generación (denominados 1G) han sido fabricados durante muchos años por compañías como American Superconductor Corporation (AMSC) en los EE. UU. Y Sumitomo en Japón, aunque AMSC ahora ha abandonado el cable BSCCO en favor del cable 2G. en YBCO.
Normalmente, los polvos precursores se envasan en un tubo de plata, que luego se extruye hacia abajo en diámetro. Estos luego se vuelven a empaquetar como múltiples tubos en un tubo de plata y nuevamente se extruyen en diámetro, luego se reducen más en tamaño y se enrollan en una cinta plana. El último paso asegura la alineación del grano. Luego, las cintas se hacen reaccionar a alta temperatura para formar una cinta conductora multifilamentaria Bi-2223 densa, alineada cristalográficamente, adecuada para enrollar cables o bobinas para transformadores, imanes, motores y generadores. [2] [3] Las cintas típicas de 4 mm de ancho y 0,2 mm de espesor soportan una corriente de 200 A a 77 K, lo que da una densidad de corriente crítica en los filamentos Bi-2223 de 5 kA / mm 2 . Esto aumenta notablemente al disminuir la temperatura, por lo que muchas aplicaciones se implementan a 30-35 K, aunque T c es 108 K.
Aplicaciones
Transmisión de energía eléctrica:
- Conductores 1G fabricados con cintas multifilamentarias Bi-2223. p.ej. :
Electroimanes y sus conductores de corriente:
Descubrimiento
BSCCO como una nueva clase de superconductor fue descubierto alrededor de 1988 por Hiroshi Maeda y sus colegas [1] en el Instituto Nacional de Investigación de Metales en Japón, aunque en ese momento no pudieron determinar su composición y estructura precisas. Casi inmediatamente varios grupos, y más notablemente Subramanian [5] et al. en Dupont y Cava [6] et al. en AT&T Bell Labs, identificó Bi-2212. El miembro n = 3 resultó bastante esquivo y Tallon [7] et al. No lo identificó hasta un mes después . en un laboratorio de investigación del gobierno en Nueva Zelanda. Desde entonces, solo ha habido pequeñas mejoras en estos materiales. Un desarrollo temprano clave fue reemplazar aproximadamente el 15% de Bi por Pb, lo que aceleró en gran medida la formación y la calidad de Bi-2223.
Propiedades
BSCCO necesita ser dopado por un exceso de átomos de oxígeno ( x en la fórmula) para superconducir. Como en todos los superconductores de alta temperatura (HTS) T c es sensible al nivel de dopaje exacta: la máxima T c para Bi-2212 (como para la mayoría HTS) se logra con un exceso de aproximadamente 0,16 orificios por átomo de Cu. [8] [9] Esto se conoce como dopaje óptimo. Las muestras con dopaje inferior (y por lo tanto reducen T c ) se conocen en general como underdoped, mientras que aquellos con exceso de dopaje (también bajar T c ) están overdoped. Al cambiar el contenido de oxígeno, T c de este modo se puede alterar a voluntad. Por muchas medidas, [ aclaración necesaria ] HTS overdoped son superconductores fuertes, incluso si su T c es inferior a la óptima, pero HTS underdoped vuelven extremadamente débil. [ cita requerida ]
La aplicación de presión externa generalmente plantea T c en muestras underdoped a valores que así superar el máximo a presión ambiente. Esto no se comprende completamente, aunque un efecto secundario es que la presión aumenta el dopaje. Bi-2223 es complicado porque tiene tres planos distintos de cobre-oxígeno. Las dos capas externas de cobre-oxígeno están típicamente cerca del dopaje óptimo, mientras que la capa interna restante está marcadamente subdopada. Por lo tanto, la aplicación de presión en Bi-2223 da como resultado que T c aumente a un máximo de aproximadamente 123 K debido a la optimización de los dos planos externos. Después de una disminución prolongada, T c aumenta nuevamente hacia 140 K debido a la optimización del plano interno. Por lo tanto, un desafío clave es determinar cómo optimizar todas las capas de cobre y oxígeno simultáneamente.
BSCCO es un superconductor de tipo II . El campo crítico superior H c2 en muestras policristalinas Bi-2212 a 4,2 K se ha medido como 200 ± 25 T (cf 168 ± 26 T para muestras policristalinas YBCO). [10] En la práctica, los HTS están limitados por el campo de irreversibilidad H *, por encima del cual los vórtices magnéticos se funden o desacoplan. Aunque BSCCO tiene un campo crítico superior más alto que YBCO, tiene un H * mucho más bajo (típicamente más pequeño en un factor de 100) [11], lo que limita su uso para fabricar imanes de campo alto. Es por esta razón que se prefieren los conductores de YBCO a BSCCO, aunque son mucho más difíciles de fabricar.
Potencial de chips lógicos superconductores
Para fabricar chips superconductores, se sugirió que debido a los avances en la tecnología de láser azul, en particular los diodos monomodo de 445, 450 y 405 nm, puede ser posible empujar selectivamente los átomos Sr en Bi-2223 para formar preferentemente materiales de alta Tc diseñados para chips de computadora. . Si es así, la configuración para hacerlos a granel puede ser muy simple, como una superficie de gránulos de aislante Mott modificada con BSCCO a través de MOCVD y luego recocido con láser bajo oxígeno en un conjunto muy específico de campos electrostáticos, temperaturas y longitudes de onda secuencialmente, con la polarización alineada. a los límites del grano. Si se usa la variante 2223, la Tc puede aumentar sustancialmente y, por lo tanto, hacer que el material sea adecuado para un sensor cuántico , SQUID y otras aplicaciones que necesitan estos parámetros. Esta idea se sugirió en Twitter y se está compilando un documento con más información para su publicación alrededor del tercer trimestre de 2018 y más discusiones en 4HV.org. La idea original se inspiró en el único átomo de estroncio brillante que se encuentra entre las placas electrostáticas en un vacío que, por cierto, le valió un premio al estudiante de doctorado responsable. [12]
Ver también
- Óxido de cobre del bario del itrio
- Talio, bario, calcio, óxido de cobre
Referencias
- ^ a b H. Maeda; Y. Tanaka; M. Fukutumi y T. Asano (1988). "Un nuevo superconductor de óxido de alta T c sin un elemento de tierras raras" . Jpn. J. Appl. Phys . 27 (2): L209 – L210. Código Bibliográfico : 1988JaJAP..27L.209M . doi : 10.1143 / JJAP.27.L209 .
- ^ CL Briant; EL Hall; KW Lay; IE Tkaczyk (1994). "Evolución microestructural del BSCCO-2223 durante el procesamiento de polvo en tubo". J. Mater. Res . 9 (11): 2789–2808. Código Bibliográfico : 1994JMatR ... 9.2789B . doi : 10.1557 / JMR.1994.2789 .
- ^ Timothy P. Beales; Jo Jutson; Luc Le Lay y Michelé Mölgg (1997). "Comparación de las propiedades de procesamiento de polvo en tubo de dos polvos (Bi 2− x Pb x ) Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 + δ ". J. Mater. Chem . 7 (4): 653–659. doi : 10.1039 / a606896k .
- ^ [ http://at-mel-cf.web.cern.ch/at-mel-cf/html/HTS_materials.htm Materiales HTS para conductores de corriente LHC
- ^ MA Subramanian; et al. (1988). "Un nuevo superconductor de alta temperatura: Bi 2 Sr 3− x Ca x Cu 2 O 8+ y ". Ciencia . 239 (4843): 1015–1017. Código Bibliográfico : 1988Sci ... 239.1015S . doi : 10.1126 / science.239.4843.1015 . PMID 17815702 .
- ^ RJ Cava; et al. (1988). "Estructura y propiedades físicas de los monocristales del superconductor 84-K Bi 2.2 Sr 2 Ca 0.8 Cu 2 O 8 + δ ". Physical Review B . 38 (1): 893–896. Código Bibliográfico : 1988PhRvB..38..893S . doi : 10.1103 / PhysRevB.38.893 . PMID 9945287 .
- ^ JL Tallon; et al. (1988). "High-T c superconductor fases en la serie Bi 2,1 (Ca, Sr) n 1 Cu n O 2 n + 4 + δ ". Naturaleza . 333 (6169): 153-156. Código bibliográfico : 1988Natur.333..153T . doi : 10.1038 / 333153a0 .
- ^ MR Presland; et al. (1991). "Tendencias generales en los efectos de la estequiometría del oxígeno en superconductores Bi y Tl". Physica C . 176 (1-3): 95. Código bibliográfico : 1991PhyC..176 ... 95P . doi : 10.1016 / 0921-4534 (91) 90700-9 .
- ^ JL Tallon; et al. (1995). "Comportamiento genérico de la fase superconductora en cupratos de alta T c : variación de T c con la concentración del agujero en YBa 2 Cu 3 O 7 − δ ". Physical Review B . 51 (18): (R) 12911–4. Código Bibliográfico : 1995PhRvB..5112911T . doi : 10.1103 / PhysRevB.51.12911 . PMID 9978087 .
- ^ AI Golovashkin; et al. (1991). "Mediciones directas de H c2 a baja temperatura en HTSC utilizando campos magnéticos megagauss". Physica C: superconductividad . 185-189: 1859-1860. Código Bibliográfico : 1991PhyC..185.1859G . doi : 10.1016 / 0921-4534 (91) 91055-9 .
- ^ K. Togano; et al. (1988). "Propiedades de superconductores Bi-Sr-Ca-Cu-O dopados con Pb". Letras de Física Aplicada . 53 (14): 1329-1331. Código Bibliográfico : 1988ApPhL..53.1329T . doi : 10.1063 / 1.100452 .
- ^ "Fotografiado: el resplandor de un solo átomo de estroncio flotante" .
enlaces externos
- Cinta BSCCO-2223 en el laboratorio de EE. UU.
- Investigación de la fabricación de 2212 en MgO en 1993 (pdf)
- Estructura electrónica local de Bi2Sr2CaCu2O8 cerca de dopantes de oxígeno ...
- El cambio de topología de superficie de Fermi en BiSrCaCuO-2212 con dopaje.