Los superconductores de alta temperatura (abreviado de alta T c o HTS ) se definen operativamente como materiales que se comportan como superconductores a temperaturas superiores a 77 K (-196,2 ° C; -321.1 ° F), el punto de ebullición de nitrógeno líquido , uno de los más sencillos refrigerantes en criogenia . [1] Todos los materiales que actualmente se sabe que se conducen a presiones normales se vuelven superconductores a temperaturas muy por debajo de la ambiente y, por lo tanto, requieren enfriamiento. La mayoría de los superconductores de alta temperatura son materiales cerámicos . Por otro lado, los superconductores metálicos suelen trabajar por debajo de -200 ° C: entonces se denominansuperconductores de baja temperatura . Los superconductores metálicos también son superconductores ordinarios , ya que fueron descubiertos y utilizados antes que los de alta temperatura.
Los superconductores cerámicos ahora se están volviendo adecuados para algún uso práctico, pero todavía tienen muchos problemas de fabricación y hay muy pocos ejemplos prácticos exitosos de empleo. La mayoría de las cerámicas son frágiles, lo que hace que la fabricación de cables a partir de ellas sea muy problemática. [2]
La principal ventaja de los superconductores cerámicos de alta temperatura es que se pueden enfriar utilizando nitrógeno líquido . [3] Por otro lado, los superconductores metálicos generalmente requieren refrigerantes más difíciles, principalmente helio líquido . Desafortunadamente, ninguno de los superconductores de alta temperatura se puede refrigerar usando solo hielo seco , y ninguno de ellos funciona a temperatura y presión ambiente (funcionan muy por debajo de la temperatura más baja registrada en la Tierra ). Todos los superconductores de alta temperatura requieren algún tipo de sistema de enfriamiento.
La clase principal de superconductores de alta temperatura pertenece a la clase de óxidos de cobre (solo algunos óxidos de cobre en particular). La segunda clase de superconductores de alta temperatura en la clasificación práctica es la clase de compuestos a base de hierro . [4] [5] El diboruro de magnesio a veces se incluye en superconductores de alta temperatura: es relativamente simple de fabricar, pero superconduce solo por debajo de -230 ° C, lo que lo hace inadecuado para el enfriamiento con nitrógeno líquido (aproximadamente 30 ° C por debajo del triple de nitrógeno temperatura puntual). Por ejemplo, se puede enfriar con helio líquido , que funciona a temperaturas mucho más bajas.
Muchos superconductores cerámicos se comportan físicamente como superconductores del segundo tipo .
El primer superconductor de alta temperatura fue descubierto en 1986 por los investigadores de IBM Bednorz y Müller , [3] [6] que recibieron el Premio Nobel de Física en 1987 "por su importante avance en el descubrimiento de la superconductividad en materiales cerámicos". . [7]
Algunos compuestos de superhidruros de presión extremadamente alta generalmente se clasifican como superconductores de alta temperatura. De hecho, se pueden encontrar muchos artículos sobre superconductores de alta temperatura en esta investigación sobre gases de alta presión, que no es adecuada para aplicaciones prácticas. La corriente T c sostenedor de registro es hidruro de azufre carbonoso , superando el récord anterior en poder de lantano decahydride por casi 30 ° C.
Historia
La superconductividad fue descubierta por Kamerlingh Onnes en 1911, en un sólido metálico. Desde entonces, los investigadores han intentado observar la superconductividad a temperaturas crecientes [8] con el objetivo de encontrar un superconductor a temperatura ambiente . [9] A fines de la década de 1970, se observó superconductividad en varios compuestos metálicos (en particular a base de Nb, como NbTi , Nb 3 Sn y Nb 3 Ge ) a temperaturas que eran mucho más altas que las de los metales elementales y que incluso podrían exceder los 20 K (-253,2 ° C). En 1986, en el laboratorio de investigación de IBM cerca de Zurich , en Suiza , Bednorz y Müller buscaban superconductividad en una nueva clase de cerámica : los óxidos de cobre o cupratos . Bednorz encontró un óxido de cobre en particular cuya resistencia cayó a cero a una temperatura de alrededor de -238 ° C (35,1 K). [8] Sus resultados pronto fueron confirmados [10] por muchos grupos, en particular Paul Chu en la Universidad de Houston y Shoji Tanaka en la Universidad de Tokio . [11]
Poco después, en la Universidad de Princeton , Anderson dio la primera descripción teórica de estos materiales, basada en la teoría del enlace de valencia resonante , [12] pero todavía se está desarrollando una comprensión completa de estos materiales. Ahora se sabe que estos superconductores poseen una simetría de pares de ondas d [ aclaración necesaria ] . La primera propuesta de que la superconductividad de cuprato de alta temperatura implica el emparejamiento de ondas d fue hecha en 1987 por Bickers, Scalapino y Scalettar, [13] seguida de tres teorías posteriores en 1988 por Inui, Doniach, Hirschfeld y Ruckenstein, [14] utilizando spin- teoría de la fluctuación, y Gros , Poilblanc, Rice y Zhang, [15] y Kotliar y Liu identificaron el emparejamiento de ondas d como una consecuencia natural de la teoría RVB. [16] La confirmación de la naturaleza de onda d de los superconductores de cuprato se realizó mediante una variedad de experimentos, incluida la observación directa de los nodos de onda d en el espectro de excitación mediante espectroscopía de fotoemisión de ángulo resuelto, la observación de un medio entero flujo en experimentos de tunelización, e indirectamente de la dependencia de la temperatura de la profundidad de penetración, el calor específico y la conductividad térmica.
El superconductor con la temperatura de transición más alta a presión ambiente es el cuprato de mercurio, bario y calcio, alrededor de 133 K. [17] Hay otros superconductores con temperaturas de transición registradas más altas, por ejemplo, superhidruro de lantano a 250 K, pero estos solo ocurren a presiones muy altas. [18]
El origen de la superconductividad de alta temperatura todavía no está claro, pero parece que en lugar de mecanismos de atracción de electrones y fonones , como en la superconductividad convencional, se trata de mecanismos electrónicos genuinos (por ejemplo, por correlaciones antiferromagnéticas), y en lugar de los convencionales, puramente s emparejamiento de ondas , se cree que están involucradas simetrías de emparejamiento más exóticas ( onda d en el caso de los cupratos; principalmente onda s extendida, pero ocasionalmente onda d , en el caso de los superconductores a base de hierro). En 2014, los científicos de EPFL [19] encontraron evidencia que mostraba que las partículas fraccionadas pueden ocurrir en materiales magnéticos cuasi bidimensionales, lo que respalda la teoría de Anderson de la superconductividad a alta temperatura. [20]
T c respectivamente punto de ebullición | Material | Notas | |
---|---|---|---|
tinta | en ° C | ||
287 | 14 | H 2 S + CH 4 a 267 GPa | Primer superconductor a temperatura ambiente [21] |
250 | −23 | LaH 10 a 170 GPa | superconductor metálico con una de las temperaturas críticas más altas conocidas |
203 | −70 | Fase de alta presión de sulfuro de hidrógeno a 100 GPa | mecanismo poco claro, efecto isotópico observable [22] |
194,6 | −78,5 | Dióxido de carbono : punto de sublimación a presión atmosférica (agente refrigerante común; para referencia) | |
138 | −135 | Hg 12 Tl 3 Ba 30 Ca 30 Cu 45 O 127 | superconductores de alta temperatura con óxido de cobre con relativamente alta temperaturas críticas |
110 | −163 | Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 ( BSCCO ) | |
92 | −181 | YBa 2 Cu 3 O 7 ( YBCO ) | |
87 | −186 | Argón : Punto de ebullición a presión atmosférica (agente refrigerante común; para referencia) | |
77 | −196 | Nitrógeno : punto de ebullición a presión atmosférica (agente refrigerante común; para referencia) | |
45 | −228 | SmFeAsO 0,85 F 0,15 | superconductores de baja temperatura con temperaturas críticas relativamente altas |
41 | −232 | CeOFeAs | |
39 | −234 | MgB 2 | superconductor metálico con temperatura crítica relativamente alta a presión atmosférica |
30 | −243 | La 2 − x Ba x CuO 4 [23] | Primer superconductor de alta temperatura con óxido de cobre, descubierto por Bednorz y Müller |
27 | −246 | Neón : punto de ebullición a presión atmosférica (agente refrigerante común; para referencia) | |
21.15 | −252 | Hidrógeno : Punto de ebullición a presión atmosférica (agente refrigerante común; para referencia) | |
18 | −255 | Nb 3 Sn [23] | superconductores metálicos de baja temperatura con relevancia técnica |
9.2 | −264,0 | NbTi [24] | |
4.21 | −268,94 | Helio : Punto de ebullición a presión atmosférica (agente refrigerante común de la física de baja temperatura; para referencia) | |
4.15 | −269,00 | Hg ( mercurio ) [25] | superconductores metálicos de baja temperatura |
1.09 | −272,06 | Ga ( galio ) [25] |
Propiedades
Desafortunadamente, la clase de superconductores de "alta temperatura" ha tenido muchas definiciones en el contexto de la superconductividad.
La etiqueta de alta T c debe ser reservado para materiales con temperaturas críticas mayores que el punto de ebullición de nitrógeno líquido . Sin embargo, un número de materiales - incluyendo el descubrimiento original y superconductores pnictide recientemente descubiertos - tiene temperaturas críticas por debajo de 77 K pero no obstante, se conoce comúnmente en publicaciones como de alta T c clase. [26] [27]
Una sustancia con una temperatura crítica por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido, junto con un campo magnético crítico alto y una densidad de corriente crítica (por encima de la cual se destruye la superconductividad), beneficiaría enormemente a las aplicaciones tecnológicas. En las aplicaciones de imanes, el campo magnético de alta crítica puede resultar más valioso que la alta Tc en sí. Algunos cupratos tienen un campo crítico superior de aproximadamente 100 tesla. Sin embargo, los materiales de cuprato son cerámicas frágiles que son caras de fabricar y no se convierten fácilmente en alambres u otras formas útiles. Además, los superconductores de alta temperatura no forman grandes dominios superconductores continuos, sino grupos de microdominios dentro de los cuales se produce la superconductividad. Por lo tanto, no son adecuados para aplicaciones que requieren corrientes superconductoras reales, como imanes para espectrómetros de resonancia magnética . [28] Para una solución a esto (polvos), consulte HTS_wire .
Ha habido un debate considerable sobre la coexistencia de la superconductividad de alta temperatura con el ordenamiento magnético en YBCO, [29] superconductores basados en hierro , varios rutenocupratos y otros superconductores exóticos, y la búsqueda continúa de otras familias de materiales. Los HTS son superconductores de Tipo II , que permiten que los campos magnéticos penetren en su interior en unidades cuantificadas de flujo, lo que significa que se requieren campos magnéticos mucho más altos para suprimir la superconductividad. La estructura en capas también da una dependencia direccional a la respuesta del campo magnético.
Cuprates
Los cupratos son materiales en capas, que consisten en capas superconductoras de óxido de cobre , separadas por capas espaciadoras. Los cupratos generalmente tienen una estructura cercana a la de un material bidimensional. Sus propiedades superconductoras están determinadas por los electrones que se mueven dentro de capas de óxido de cobre (CuO 2 ) débilmente acopladas . Las capas vecinas contienen iones como lantano , bario , estroncio u otros átomos que actúan para estabilizar la estructura y dopar electrones o huecos en las capas de óxido de cobre. Los compuestos "padre" o "madre" no dopados son aislantes Mott con orden antiferromagnético de largo alcance a temperaturas suficientemente bajas. Los modelos de banda única generalmente se consideran suficientes para describir las propiedades electrónicas.
Los superconductores de cuprato adoptan una estructura de perovskita. Los planos de óxido de cobre son celosías de tablero de ajedrez con cuadrados de iones O 2− con un ion Cu 2+ en el centro de cada cuadrado. La celda unitaria se gira 45 ° desde estos cuadrados. Las fórmulas químicas de los materiales superconductores generalmente contienen números fraccionarios para describir el dopaje requerido para la superconductividad. Hay varias familias de superconductores de cuprato y se pueden clasificar por los elementos que contienen y el número de capas de óxido de cobre adyacentes en cada bloque superconductor. Por ejemplo, YBCO y BSCCO se pueden denominar alternativamente "Y123" y Bi2201 / Bi2212 / Bi2223 dependiendo del número de capas en cada bloque superconductor ( n ). Se ha descubierto que la temperatura de transición superconductora alcanza un valor máximo de dopaje ( p = 0,16) y un número óptimo de capas en cada bloque superconductor, normalmente n = 3.
Los posibles mecanismos de superconductividad en los cupratos siguen siendo objeto de un debate considerable y de más investigaciones. Se han identificado ciertos aspectos comunes a todos los materiales. Las similitudes entre el estado antiferromagnético de baja temperatura de los materiales no dopados y el estado superconductor que surge al doparse, principalmente el estado orbital d x 2 -y 2 de los iones Cu 2+ , sugieren que las interacciones electrón-electrón son más significativas que las de electrones. interacciones fonónicas en cupratos, lo que hace que la superconductividad sea poco convencional. Un trabajo reciente en la superficie de Fermi ha demostrado que el anidamiento se produce en cuatro puntos de la zona antiferromagnética de Brillouin donde existen ondas de giro y que la brecha de energía superconductora es mayor en estos puntos. Los efectos isotópicos débiles observados para la mayoría de los cupratos contrastan con los superconductores convencionales que están bien descritos por la teoría BCS.
Similitudes y diferencias en las propiedades de los cupratos dopados con huecos y dopados con electrones:
- Presencia de una fase de pseudogap hasta al menos un dopaje óptimo.
- Diferentes tendencias en el gráfico de Uemura que relacionan la temperatura de transición con la densidad de superfluidos. El cuadrado inverso de la profundidad de penetración de London parece ser proporcional a la temperatura crítica para un gran número de superconductores de cuprato subdopados, pero la constante de proporcionalidad es diferente para cupratos dopados con huecos y con electrones. La tendencia lineal implica que la física de estos materiales es fuertemente bidimensional.
- Característica universal en forma de reloj de arena en las excitaciones de giro de cupratos medidos mediante difracción de neutrones inelásticos.
- Efecto Nernst evidente tanto en la fase superconductora como en la pseudogap.
La estructura electrónica de los cupratos superconductores es altamente anisotrópica (ver la estructura cristalina de YBCO o BSCCO ). Por lo tanto, la superficie de Fermi de HTSC está muy cerca de la superficie de Fermi del plano CuO 2 dopado (o planos múltiples, en el caso de cupratos multicapa) y se puede presentar en el espacio recíproco 2-D (o espacio de momento) de la celosía de CuO 2 . La superficie típica de Fermi dentro de la primera zona de CuO 2 Brillouin se dibuja en la Fig. 1 (izquierda). Puede derivarse de los cálculos de la estructura de la banda o medirse mediante espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo ( ARPES ). La Fig. 1 (derecha) muestra la superficie de Fermi de BSCCO medida por ARPES . En un amplio rango de concentración de portador de carga (nivel de dopaje), en el que los HTSC dopados con orificios son superconductores, la superficie de Fermi tiene forma de orificio ( es decir , abierta, como se muestra en la Fig. 1). Esto da como resultado una anisotropía inherente en el plano de las propiedades electrónicas de HTSC.
A base de hierro
Los superconductores a base de hierro contienen capas de hierro y un pictógeno , como arsénico o fósforo, o un calcógeno . Esta es actualmente la familia con la segunda temperatura crítica más alta, detrás de los cupratos. El interés en sus propiedades superconductoras comenzó en 2006 con el descubrimiento de la superconductividad en LaFePO a 4 K [32] y ganó mucha más atención en 2008 después de que se descubrió que el material análogo LaFeAs (O, F) [33] superconduce hasta 43 K bajo presión. [34] Las temperaturas críticas más altas en la familia de superconductores a base de hierro existen en películas delgadas de FeSe, [35] [36] [37] donde se informó una temperatura crítica superior a 100 K en 2014. [38]
Desde los descubrimientos originales han surgido varias familias de superconductores a base de hierro:
- LnFeAs (O, F) o LnFeAsO 1-x (Ln = lantánidos) con T c hasta 56 K, referidos como 1111 materiales. [5] A fluoruro variante de estos materiales fue encontrado posteriormente con similares T c valores. [39]
- (Ba, K) Fe 2 As 2 y materiales relacionados con pares de capas de hierro-arseniuro, denominados 122 compuestos. T c valores oscilan hasta 38 K. [40] [41] Estos materiales también superconducen cuando el hierro se sustituye con cobalto .
- LiFeAs y NaFeAs con T c hasta alrededor de 20 K. Estos materiales superconductores cerca de composición estequiométrica y se conocen como 111 compuestos. [42] [43] [44]
- FeSe con pequeña estequiometría o dopaje con telurio . [45]
La mayoría de los superconductores a base de hierro sin dopar muestran una transición de fase estructural tetragonal-ortorrómbica seguida a temperaturas más bajas por un orden magnético, similar a los superconductores de cuprato. [46] Sin embargo, son metales pobres en lugar de aislantes Mott y tienen cinco bandas en la superficie de Fermi en lugar de una. [31] El diagrama de fase que emerge a medida que se dopan las capas de arseniuro de hierro es notablemente similar, con la fase superconductora cercana o superpuesta a la fase magnética. Una fuerte evidencia de que el T c valor varía con los ángulos AS-FeAs bonos ya ha surgido y muestra que el óptimo T c se obtiene valor con FeAs no distorsionados 4 tetraedros. [47] La simetría de la función de onda de emparejamiento todavía se debate ampliamente, pero actualmente se favorece un escenario de onda s extendida .
Diboruro de magnesio
Diboruro de magnesio se hace referencia ocasionalmente como un superconductor de alta temperatura [48] debido a que su T c valor de 39 K es superior que históricamente esperado para BCS superconductores. Sin embargo, es más generalmente considerado como el más alto T c superconductor convencional, el aumento de la T c resultante a partir de dos bandas separadas que están presentes en el nivel de Fermi .
Los superconductores fulleride [49] donde los átomos de metales alcalinos se intercalan en moléculas C 60 muestran superconductividad a temperaturas de hasta 38 K para Cs 3 C 60 . [50]
Nicquelatos
En 1999, Anisimov et al. supuso superconductividad en los niquelatos, proponiendo los óxidos de níquel como análogos directos de los superconductores de cuprato. [51] La superconductividad en un niquelato de capa infinita, Nd 0.8 Sr 0.2 NiO 2 , se informó a fines de 2019 con una temperatura de transición superconductora entre 9 y 15 K. Esta fase superconductora se observa en películas delgadas reducidas en oxígeno creadas por los pulsos deposición láser de Nd 0.8 Sr 0.2 NiO 3 sobre sustratos de SrTiO 3 que luego se reduce a Nd 0.8 Sr 0.2 NiO 2 mediante el recocido de las películas delgadas a 260-280 ° C en presencia de CaH 2 . [52] [53] La fase superconductora solo se observa en la película de oxígeno reducido y no se ve en el material a granel de oxígeno reducido de la misma estequiometría, lo que sugiere que la deformación inducida por la reducción de oxígeno de la película delgada de Nd 0.8 Sr 0.2 NiO 2 cambia el espacio de fase para permitir la superconductividad. [54] Además, es importante extraer el hidrógeno de acceso a partir de la reducción con CaH 2 , de lo contrario, el hidrógeno topotáctico puede prevenir la superconductividad. [55]
Propiedades magnéticas
Todos los conocidos de alta T c superconductores son superconductores de tipo II. A diferencia de los superconductores de Tipo I , que expulsan todos los campos magnéticos debido al efecto Meissner , los superconductores de Tipo II permiten que los campos magnéticos penetren en su interior en unidades cuantificadas de flujo, creando "agujeros" o "tubos" de regiones metálicas normales en el bulto superconductor llamado vórtices . En consecuencia, de alta T c superconductores pueden sostener campos magnéticos mucho más alto.
Cuprates
La estructura de los cupratos, que son superconductores, a menudo está estrechamente relacionada con la estructura de la perovskita , y la estructura de estos compuestos se ha descrito como una estructura de perovskita multicapa distorsionada y deficiente en oxígeno . Una de las propiedades de la estructura cristalina de los superconductores de óxido es una multicapa alterna de planos de CuO 2 con superconductividad que tiene lugar entre estas capas. Cuantas más capas de CuO 2 , mayor T c . Esta estructura provoca una gran anisotropía en las propiedades conductoras y superconductoras normales, ya que las corrientes eléctricas son transportadas por agujeros inducidos en los sitios de oxígeno de las láminas de CuO 2 . La conducción eléctrica es altamente anisotrópica, con una conductividad mucho mayor paralela al plano CuO 2 que en la dirección perpendicular. Generalmente, las temperaturas críticas dependen de las composiciones químicas, sustituciones de cationes y contenido de oxígeno. Se pueden clasificar como super rayas ; es decir, realizaciones particulares de superredes en el límite atómico hechas de capas atómicas superconductoras, alambres, puntos separados por capas espaciadoras, que dan superconductividad multibanda y multigap.
Cuprato de itrio-bario
Un cuprato de itrio-bario, YBa 2 Cu 3 O 7 − x (o Y123), fue el primer superconductor encontrado por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido . Hay dos átomos de bario por cada átomo de itrio. Las proporciones de los tres metales diferentes en el superconductor YBa 2 Cu 3 O 7 están en la relación molar de 1 a 2 a 3 para el itrio, el bario y el cobre, respectivamente: este superconductor en particular también se ha denominado a menudo superconductor 123.
La celda unitaria de YBa 2 Cu 3 O 7 consta de tres celdas unitarias de perovskita, que es pseudocúbica , casi ortorrómbica . Los otros cupratos superconductores tienen otra estructura: tienen una celda tetragonal . Cada celda de perovskita contiene un átomo de Y o Ba en el centro: Ba en la celda unitaria inferior, Y en la del medio y Ba en la celda unitaria superior. Por lo tanto, Y y Ba se apilan en la secuencia [Ba – Y – Ba] a lo largo del eje c. Todos los sitios de las esquinas de la celda unitaria están ocupados por Cu, que tiene dos coordinaciones diferentes, Cu (1) y Cu (2), con respecto al oxígeno. Hay cuatro posibles sitios cristalográficos para el oxígeno: O (1), O (2), O (3) y O (4). [56] Los poliedros de coordinación de Y y Ba con respecto al oxígeno son diferentes. La triplicación de la celda unitaria de perovskita da lugar a nueve átomos de oxígeno, mientras que YBa 2 Cu 3 O 7 tiene siete átomos de oxígeno y, por lo tanto, se conoce como una estructura de perovskita deficiente en oxígeno. La estructura tiene un apilamiento de diferentes capas: (CuO) (BaO) (CuO 2 ) (Y) (CuO 2 ) (BaO) (CuO). Una de las características clave de la celda unitaria de YBa 2 Cu 3 O 7 − x (YBCO) es la presencia de dos capas de CuO 2 . El papel del plano Y es servir como espaciador entre dos planos de CuO 2 . En YBCO, se sabe que las cadenas de Cu – O desempeñan un papel importante en la superconductividad. T c es máxima cerca de 92 K cuando x ≈ 0.15 y la estructura es ortorrómbica. La superconductividad desaparece en x ≈ 0.6, donde la transformación estructural de YBCO ocurre de ortorrómbica a tetragonal. [57]
Otros cupratos
La preparación de otros cupratos es más difícil que la preparación de YBCO. También tienen una estructura cristalina diferente: son tetragonales donde YBCO es ortorrómbico . Los problemas en estos superconductores surgen debido a la existencia de tres o más fases que tienen una estructura de capas similar. Además, la estructura cristalina de otros superconductores de cuprato probados es muy similar. [58] Como YBCO, la característica de tipo perovskita y la presencia de capas simples de óxido de cobre (CuO 2 ) también existen en estos superconductores. Sin embargo, a diferencia de YBCO, las cadenas de Cu – O no están presentes en estos superconductores. El superconductor YBCO tiene una estructura ortorrómbica, mientras que los otros de alta T c superconductores tienen una estructura tetragonal.
Hay tres clases principales de cupratos superconductores: a base de bismuto, a base de talio y a base de mercurio.
El segundo cuprato por importancia práctica es actualmente BSCCO , un compuesto de Bi-Sr-Ca-Cu-O . El contenido de bismuto y estroncio crea algunos problemas químicos. Tiene tres fases superconductoras que forman una serie homóloga como Bi 2 Sr 2 Ca n −1 Cu n O 4 + 2 n + x ( n = 1, 2 y 3). Estas tres fases son Bi-2201, Bi-2212 y Bi-2223, que tienen temperaturas de transición de 20, 85 y 110 K, respectivamente, donde el sistema de numeración representa el número de átomos de Bi Sr, Ca y Cu respectivamente. [59] Las dos fases tienen una estructura tetragonal que consta de dos celdas unitarias cristalográficas cortadas. La celda unitaria de estas fases tiene planos Bi-O dobles que están apilados de manera que el átomo Bi de un plano se encuentra debajo del átomo de oxígeno del siguiente plano consecutivo. El átomo de Ca forma una capa dentro del interior de las capas de CuO 2 en Bi-2212 y Bi-2223; no hay capa de Ca en la fase Bi-2201. Las tres fases se diferencian entre sí en el número de planos de cuprato; Las fases Bi-2201, Bi-2212 y Bi-2223 tienen uno, dos y tres planos de CuO 2 , respectivamente. Las constantes de celosía del eje c de estas fases aumentan con el número de planos de cuprato (ver tabla a continuación). La coordinación del átomo de Cu es diferente en las tres fases. El átomo de Cu forma una coordinación octaédrica con respecto a los átomos de oxígeno en la fase 2201, mientras que en 2212, el átomo de Cu está rodeado por cinco átomos de oxígeno en una disposición piramidal. En la estructura 2223, Cu tiene dos coordinaciones con respecto al oxígeno: un átomo de Cu está enlazado con cuatro átomos de oxígeno en configuración plana cuadrada y otro átomo de Cu está coordinado con cinco átomos de oxígeno en una disposición piramidal. [60]
Cuprato de Tl-Ba-Ca: la primera serie de superconductores basados en Tl que contiene una capa de Tl-O tiene la fórmula general TlBa 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +3 , [61] mientras que la segunda serie que contiene dos Tl – O capas tiene una fórmula de Tl 2 Ba 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +4 con n = 1, 2 y 3. En la estructura de Tl 2 Ba 2 CuO 6 (Tl-2201), hay una capa de CuO 2 con la secuencia de apilamiento (Tl – O) (Tl – O) (Ba – O) (Cu – O) (Ba – O) (Tl – O) (Tl – O). En Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 8 (Tl-2212), hay dos capas de Cu – O con una capa de Ca en el medio. Similar a la estructura de Tl 2 Ba 2 CuO 6 , las capas de Tl – O están presentes fuera de las capas de Ba – O. En Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Tl-2223), hay tres capas de CuO 2 que encierran capas de Ca entre cada una de ellas. En los superconductores basados en Tl, se encuentra que T c aumenta con el aumento de las capas de CuO 2 . Sin embargo, el valor de T c disminuye después de cuatro capas de CuO 2 en TlBa 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +3 , y en el compuesto Tl 2 Ba 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +4 , disminuye después de tres capas de CuO 2 . [62]
Cuprato de Hg-Ba-Ca La estructura cristalina de HgBa 2 CuO 4 (Hg-1201), [63] HgBa 2 CaCu 2 O 6 (Hg-1212) y HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 (Hg-1223) es similar a la de Tl-1201, Tl-1212 y Tl-1223, con Hg en lugar de Tl. Es de destacar que la T c del compuesto Hg (Hg-1201) que contiene uno CuO 2 capa es mucho más grande en comparación con el de una sola CuO 2 compuesto -capa de talio (Tl-1201). En el superconductor a base de Hg, T c se encuentra también a aumentar a medida que los CuO 2 aumenta de capa. Para Hg-1201, Hg-1212 y Hg-1223, los valores de T c son 94, 128, y el valor de registro a presión ambiente 134 K, [64] , respectivamente, como se muestra en la tabla a continuación. La observación de que la T c de Hg-1223 aumenta hasta 153 K bajo alta presión indica que el T c de este compuesto es muy sensible a la estructura del compuesto. [sesenta y cinco]
Nombre | Fórmula | Temperatura (K) | Número de planos de CuO 2 en celda unitaria | Estructura cristalina |
---|---|---|---|---|
Y-123 | YBa 2 Cu 3 O 7 | 92 | 2 | Ortorrómbico |
Bi-2201 | Bi 2 Sr 2 CuO 6 | 20 | 1 | Tetragonal |
Bi-2212 | Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 | 85 | 2 | Tetragonal |
Bi-2223 | Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 | 110 | 3 | Tetragonal |
Tl-2201 | Tl 2 Ba 2 CuO 6 | 80 | 1 | Tetragonal |
Tl-2212 | Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 8 | 108 | 2 | Tetragonal |
Tl-2223 | Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 | 125 | 3 | Tetragonal |
Tl-1234 | TlBa 2 Ca 3 Cu 4 O 11 | 122 | 4 | Tetragonal |
Hg-1201 | HgBa 2 CuO 4 | 94 | 1 | Tetragonal |
Hg-1212 | HgBa 2 CaCu 2 O 6 | 128 | 2 | Tetragonal |
Hg-1223 | HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 | 134 | 3 | Tetragonal |
Preparación y fabricación
El método más simple para preparar superconductores cerámicos es una reacción termoquímica de estado sólido que involucra mezcla, calcinación y sinterización . Las cantidades apropiadas de precursores en polvo, generalmente óxidos y carbonatos, se mezclan a fondo usando un molino de bolas . Los procesos de química en solución como la coprecipitación , la liofilización y los métodos sol-gel son formas alternativas de preparar una mezcla homogénea. Estos polvos se calcinan en el intervalo de temperatura de 800 ° C a 950 ° C durante varias horas. Los polvos se enfrían, se muelen y se calcinan nuevamente. Este proceso se repite varias veces para conseguir un material homogéneo. A continuación, los polvos se compactan en gránulos y se sinterizan. El entorno de sinterización tales como la temperatura, el recocido de tiempo, el ambiente y la velocidad de enfriamiento juega un papel muy importante en conseguir una buena alta T c materiales superconductores. El compuesto YBa 2 Cu 3 O 7− x se prepara mediante calcinación y sinterización de una mezcla homogénea de Y 2 O 3 , BaCO 3 y CuO en la proporción atómica apropiada. La calcinación se realiza a 900–950 ° C, mientras que la sinterización se realiza a 950 ° C en una atmósfera de oxígeno. La estequiometría del oxígeno en este material es muy crucial para obtener un compuesto YBa 2 Cu 3 O 7− x superconductor . En el momento de la sinterización, se forma el compuesto tetragonal semiconductor YBa 2 Cu 3 O 6 que, al enfriarse lentamente en una atmósfera de oxígeno, se convierte en YBa 2 Cu 3 O 7− x superconductor . La captación y pérdida de oxígeno son reversibles en YBa 2 Cu 3 O 7 −x . Una muestra de YBa 2 Cu 3 O 7− x ortorrómbica completamente oxigenada se puede transformar en YBa 2 Cu 3 O 6 tetragonal calentando al vacío a una temperatura superior a 700 ° C. [57]
La preparación de bi-, TL y basados en Hg de alta T c superconductores es más difícil que la preparación YBCO. Los problemas en estos superconductores surgen debido a la existencia de tres o más fases que tienen una estructura de capas similar. Por lo tanto, durante la síntesis se producen intercrecimiento sintáctico y defectos tales como fallas de apilamiento y resulta difícil aislar una sola fase superconductora. Para Bi-Sr-Ca-Cu-O, es relativamente sencillo preparar la fase Bi-2212 ( T c ≈ 85 K), mientras que es muy difícil preparar una sola fase de Bi-2223 ( T c ≈ 110 K ). La fase Bi-2212 aparece solo después de unas pocas horas de sinterización a 860–870 ° C, pero la fracción más grande de la fase Bi-2223 se forma después de un tiempo de reacción prolongado de más de una semana a 870 ° C. [60] Aunque se ha encontrado la sustitución de Pb en el compuesto Bi-Sr-Ca-Cu-O para promover el crecimiento de la alta T c fase, [66] un largo tiempo de sinterización sigue siendo necesaria.
La investigación en curso
La cuestión de cómo surge la superconductividad en los superconductores de alta temperatura es uno de los principales problemas sin resolver de la física teórica de la materia condensada . Se desconoce el mecanismo que hace que los electrones de estos cristales formen pares. A pesar de la investigación intensiva y de muchas pistas prometedoras, hasta ahora los científicos han escapado a una explicación. Una razón de esto es que los materiales en cuestión son generalmente cristales de múltiples capas muy complejos (por ejemplo, BSCCO ), lo que dificulta el modelado teórico.
La mejora de la calidad y variedad de las muestras también da lugar a una investigación considerable, tanto con el objetivo de mejorar la caracterización de las propiedades físicas de los compuestos existentes como de sintetizar nuevos materiales, a menudo con la esperanza de aumentar la T c . La investigación tecnológica se centra en la fabricación de materiales HTS en cantidades suficientes para viabilizar económicamente su uso y optimizar sus propiedades en relación con las aplicaciones . [67]
Modelos teóricos
Ha habido dos teorías representativas de la superconductividad no convencional o de alta temperatura . En primer lugar, la teoría del acoplamiento débil sugiere que la superconductividad surge de las fluctuaciones de espín antiferromagnético en un sistema dopado. [68] Según esta teoría, la función de onda de emparejamiento del cuprato HTS debe tener una simetría d x 2 -y 2 . Por lo tanto, determinar si la función de onda de emparejamiento tiene simetría de onda d es esencial para probar el mecanismo de fluctuación de giro. Es decir, si el parámetro de orden HTS (función de onda de emparejamiento) no tiene simetría de onda d , entonces se puede descartar un mecanismo de emparejamiento relacionado con las fluctuaciones de espín. (Se pueden hacer argumentos similares para los superconductores basados en hierro, pero las diferentes propiedades del material permiten una simetría de emparejamiento diferente). En segundo lugar, estaba el modelo de acoplamiento entre capas , según el cual una estructura en capas que consta de superconductores de tipo BCS ( simetría de onda s ) puede mejorar la superconductividad por sí mismo. [69] Al introducir una interacción de tunelización adicional entre cada capa, este modelo explicó con éxito la simetría anisotrópica del parámetro de orden, así como la aparición del HTS. Así, para resolver este problema no resuelto, se han realizado numerosos experimentos como espectroscopia de fotoemisión , RMN , medidas de calor específico , etc. Hasta la fecha los resultados eran ambiguos, algunos informes apoyaban la simetría d para el HTS mientras que otros apoyaban la s simetría. Esta situación turbia posiblemente se originó por la naturaleza indirecta de la evidencia experimental, así como por cuestiones experimentales como la calidad de la muestra, la dispersión de impurezas, el hermanamiento, etc.
Este resumen hace una suposición implícita : las propiedades superconductoras pueden tratarse mediante la teoría del campo medio . Tampoco menciona que además de la brecha superconductora, existe una segunda brecha, la pseudogap . Las capas de cuprato son aislantes y los superconductores están dopados con impurezas entre capas para hacerlos metálicos. La temperatura de transición superconductora se puede maximizar variando la concentración de dopante . El ejemplo más simple es La 2 CuO 4 , que consta de capas alternas de CuO 2 y LaO que son aislantes cuando son puras. Cuando el 8% del La es reemplazado por Sr, este último actúa como dopante , aportando agujeros a las capas de CuO 2 y haciendo que la muestra sea metálica. Las impurezas Sr también actúan como puentes electrónicos, lo que permite el acoplamiento entre capas. Partiendo de esta imagen, algunas teorías argumentan que la interacción de emparejamiento básica sigue siendo la interacción con fonones , como en los superconductores convencionales con pares de Cooper . Mientras que los materiales no dopados son antiferromagnéticos, incluso un pequeño porcentaje de impurezas dopantes introducen un pseudogap más pequeño en los planos de CuO 2 que también es causado por fonones . La brecha disminuye al aumentar los portadores de carga y, a medida que se acerca a la brecha superconductora, esta última alcanza su máximo. Entonces se argumenta que la razón de la alta temperatura de transición se debe al comportamiento de percolación de los portadores: los portadores siguen trayectorias de percolación en zig-zag, principalmente en dominios metálicos en los planos de CuO 2 , hasta que son bloqueados por paredes de dominio de onda de densidad de carga , donde utilizan puentes dopantes para cruzar a un dominio metálico de un plano CuO 2 adyacente . Los máximos de temperatura de transición se alcanzan cuando la red del anfitrión tiene fuerzas débiles de flexión de enlaces, que producen fuertes interacciones electrón-fonón en los dopantes intercapas. [70]
Simetría D en YBCO
Se propuso un experimento basado en la cuantificación de flujo de un anillo de tres granos de YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO) para probar la simetría del parámetro de orden en el HTS. La simetría del parámetro de orden se podría probar mejor en la interfaz de unión cuando los pares de Cooper hacen un túnel a través de una unión de Josephson o un enlace débil. [71] Se esperaba que un flujo medio entero, es decir, una magnetización espontánea solo pudiera ocurrir para una unión de superconductores de simetría d . Pero, incluso si el experimento de unión es el método más fuerte para determinar la simetría del parámetro de orden HTS, los resultados han sido ambiguos. JR Kirtley y CC Tsuei pensaron que los resultados ambiguos provenían de los defectos dentro del HTS, por lo que diseñaron un experimento donde se consideraron simultáneamente tanto el límite limpio (sin defectos) como el límite sucio (defectos máximos). [72] En el experimento, la magnetización espontánea se observó claramente en YBCO, lo que apoyó la simetría d del parámetro de orden en YBCO. Pero, puesto que YBCO es ortorrómbica, puede ser que inherentemente tiene una mezcla de s simetría. Por lo tanto, mediante la regulación de su técnica adicional, encontraron que había una mezcla de s simetría en YBCO dentro de aproximadamente 3%. [73] Además, encontraron que había una simetría pura de parámetros de orden d x 2 -y 2 en el tetragonal Tl 2 Ba 2 CuO 6 . [74]
Mecanismo de fluctuación de giro
A pesar de todos estos años, el mecanismo de alta T c superconductividad es todavía muy controvertida, debido principalmente a la falta de cálculos teóricos exactos sobre tales sistemas de electrones que interactúan fuertemente. Sin embargo, los cálculos teóricos más rigurosos, incluidos los enfoques fenomenológicos y diagramáticos, convergen en las fluctuaciones magnéticas como mecanismo de emparejamiento de estos sistemas. La explicación cualitativa es la siguiente:
En un superconductor, el flujo de electrones no se puede descomponer en electrones individuales, sino que consiste en muchos pares de electrones ligados, llamados pares de Cooper. En los superconductores convencionales, estos pares se forman cuando un electrón que se mueve a través del material distorsiona la red cristalina circundante, que a su vez atrae a otro electrón y forma un par unido. Esto a veces se denomina efecto "lecho de agua". Cada par de Cooper requiere una cierta energía mínima para ser desplazado, y si las fluctuaciones térmicas en la red cristalina son menores que esta energía, el par puede fluir sin disipar energía. Esta capacidad de los electrones para fluir sin resistencia conduce a la superconductividad.
En una alta T c superconductor, el mecanismo es muy similar a un superconductor convencional, excepto, en este caso, los fonones prácticamente no juegan ningún papel y su función se sustituye por las ondas de spin-densidad. Al igual que todos los superconductores convencionales conocidos son sistemas de fonones fuertes, todos conocidos de alta T c superconductores son sistemas fuerte onda spin-densidad, dentro de estrecha proximidad de una transición magnética para, por ejemplo, un antiferromagnético. Cuando un electrón se mueve en una alta T c superconductor, su giro crea una onda de spin-densidad de alrededor de ella. Esta onda de densidad de espín a su vez hace que un electrón cercano caiga en la depresión de espín creada por el primer electrón (nuevamente el efecto de lecho de agua). Por lo tanto, nuevamente, se forma un par de Cooper. Cuando se baja la temperatura del sistema, se crean más ondas de densidad de espín y pares de Cooper, lo que eventualmente conduce a la superconductividad. Obsérvese que en alta T c sistemas, ya que estos sistemas son sistemas magnéticos debido a la interacción de Coulomb, hay una fuerte repulsión de Coulomb entre electrones. Esta repulsión de Coulomb evita el emparejamiento de los pares de Cooper en el mismo sitio de red. Como resultado, el apareamiento de los electrones ocurre en sitios de celosía cercanos al vecino. Este es el llamado emparejamiento de ondas d , donde el estado de emparejamiento tiene un nodo (cero) en el origen.
Ejemplos de
Ejemplos de alta T c cuprato superconductores incluyen YBCO y BSCCO , que son los materiales más conocidos que logran la superconductividad por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido.
Temperatura de transición | Artículo | Tipo de material |
---|---|---|
195 K (-78 ° C) | Hielo seco (dióxido de carbono) - sublimación | Refrigerante |
184 K (-89 ° C) | La temperatura más baja registrada en la Tierra | Refrigerante |
110 K (-163 ° C) | BSCCO | Superconductores de cuprato |
93 K (-180 ° C) | YBCO | |
77 K (-196 ° C) | Nitrógeno - hirviendo | Refrigerante |
55 K (−218 ° C) | SmFeAs (O, F) | Superconductores a base de hierro |
41 K (-232 ° C) | CeFeAs (O, F) | |
26 K (-247 ° C) | LaFeAs (O, F) | |
18 K (-255 ° C) | Nb 3 Sn | Superconductores metálicos de baja temperatura |
3 K (-270 ° C) | Helio - hirviendo | Refrigerante |
3 K (-270 ° C) | Hg ( mercurio : el primer superconductor descubierto) | Superconductores metálicos de baja temperatura |
Ver también
- Par de Cooper : par de electrones unidos a baja temperatura que permiten la superconductividad
- Bombeo de flujo : proceso para magnetizar superconductores
- Fenómenos cuánticos macroscópicos: procesos macroscópicos que muestran el comportamiento cuántico
- Conducción mixta
- Pseudogap : estado en el que una superficie de Fermi tiene una brecha de energía parcial en la física de la materia condensada
- SQUID - tipo de magnetómetro
- Superstripes : fase de simetría rota que favorece el inicio del orden superconductor o superfluido
- Alambre superconductor : alambres que exhiben resistencia cero
- Clasificación de superconductores : diferentes tipos de superconductores
- Superconductores de cuprato : tipo de superconductor de alta temperatura
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enlaces externos
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