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óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre

Un trozo de cuprato de bismuto y estroncio: esta pieza es un cubo con una arista de casi 1 mm. El óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre ( BSCCO , pronunciado /ˈbɪskoʊ / ),...

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Un trozo de cuprato de bismuto y estroncio: esta pieza es un cubo con una arista de casi 1 mm.

El óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre ( BSCCO , pronunciado /ˈbɪskoʊ / ), es un tipo de superconductor cuprato con la fórmula química generalizada Bi₂Sr₂Caₙ₋₁CuₙO₂ₙ₊₄₊ₓ , siendo n = 2 el compuesto más estudiado ( aunque n = 1 y n = 3 también han recibido una atención significativa). Descubierto como una clase general en 1988, [ 1 ] el BSCCO fue el primer superconductor de alta temperatura que no contenía un elemento de tierras raras .      

Se trata de un superconductor de cuprato , una categoría importante de superconductores de alta temperatura que comparten una estructura bidimensional en capas ( perovskita ) (véase la figura de la derecha), donde la superconductividad tiene lugar en un plano de óxido de cobre. El BSCCO y el óxido de cobre, bario e itrio (YBCO) son los superconductores de cuprato más estudiados.

Los tipos específicos de BSCCO se suelen denominar utilizando la secuencia de los números de los iones metálicos. Así, 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 superconductores de alta temperatura de talio 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 varias otras variantes de estas familias superconductoras. En general, su temperatura crítica a la que se vuelven 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.

Cables y cintas

Para aplicaciones prácticas, el BSCCO se comprime con plata metálica en forma de cinta mediante el proceso de polvo en tubo.

El BSCCO fue el primer material HTS utilizado para fabricar cables superconductores prácticos. Todos los HTS tienen una longitud de coherencia extremadamente corta , del orden de 1,6  nm. Esto significa que los granos en un cable policristalino deben estar en contacto extremadamente bueno, es decir, deben ser atómicamente lisos. Además, dado que la superconductividad reside sustancialmente solo en los planos de cobre-oxígeno, los granos deben estar alineados cristalográficamente. Por lo tanto, el BSCCO es un buen candidato porque sus granos pueden alinearse mediante procesamiento por fusión o por deformación mecánica. La doble capa de óxido de bismuto está débilmente unida por fuerzas de van der Waals. Así, al igual que el grafito o la mica , la deformación provoca deslizamiento en estos planos de BiO, y los granos tienden a deformarse en placas alineadas. Además, debido a que el BSCCO tiene n = 1, 2 y 3 miembros, estos tienden naturalmente a acomodar límites de grano de bajo ángulo, de modo que, efectivamente, permanecen atómicamente lisos. Así, los cables HTS de primera generación (conocidos como 1G) han sido fabricados durante muchos años por empresas como American Superconductor Corporation (AMSC) en EE. UU. y Sumitomo en Japón, aunque AMSC ha abandonado el cable BSCCO en favor del cable 2G basado en YBCO .

Normalmente, los polvos precursores se empaquetan en un tubo de plata, que luego se extruye para reducir su diámetro. Estos se vuelven a empaquetar como múltiples tubos en un tubo de plata y se extruyen nuevamente para reducir su diámetro, luego se estiran aún más y se enrollan en una cinta plana. El último paso asegura la alineación de los granos. Las cintas luego reaccionan a alta temperatura para formar una cinta conductora multifilamentaria de Bi-2223 densa y cristalográficamente alineada, adecuada para bobinar 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 de Bi-2223 de 5 kA/mm 2 . Esta 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  :

Electroimanes y sus conductores de corriente  :

Descubrimiento

La celda unitaria cristalina de BSCCO-2212 comprende dos unidades repetitivas desplazadas en (1/2,0,0). Los demás miembros de la familia BSCCO tienen estructuras muy similares: 2201 tiene una capa menos de CuO₂ en su mitad superior e inferior y carece de capa de Ca, mientras que 2223 tiene una capa adicional de CuO₂ y Ca en cada mitad .

El 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 de Japón, aunque en ese momento no pudieron determinar su composición y estructura precisas. Casi de inmediato, varios grupos, y en particular Subramanian [ 5 ] et al. en Dupont y Cava [ 6 ] et al. en AT&T Bell Labs, identificaron Bi-2212. El miembro n = 3 resultó bastante esquivo y no fue identificado hasta aproximadamente un mes después por Tallon et al. [ 7 ] en un laboratorio de investigación gubernamental en Nueva Zelanda. Desde entonces, solo se han realizado mejoras menores en estos materiales. Un desarrollo inicial clave fue reemplazar alrededor del 15% del Bi por Pb, lo que aceleró enormemente la formación y la calidad del Bi-2223.

Propiedades

El BSCCO necesita ser dopado con huecos mediante un exceso de átomos de oxígeno ( x en la fórmula) para ser superconductor. Como en todos los superconductores de alta temperatura (HTS), T c es sensible al nivel exacto de dopaje: el T c máximo para Bi-2212 (como para la mayoría de los HTS) se logra con un exceso de aproximadamente 0,16 huecos por átomo de Cu. [ 8 ] [ 9 ] Esto se conoce como dopaje óptimo. Las muestras con menor dopaje (y por lo tanto menor T c ) generalmente se denominan subdopadas, mientras que aquellas con exceso de dopaje (también menor T c ) están sobredopadas. Al cambiar el contenido de oxígeno, T c puede alterarse a voluntad. Según muchas medidas, los HTS sobredopados son superconductores fuertes, incluso si su T c es menor que el óptimo, pero los HTS subdopados se vuelven extremadamente débiles.

La aplicación de presión externa generalmente eleva la temperatura crítica (Tc ) en muestras subdopadas a valores que superan ampliamente el máximo a presión ambiente. Este fenómeno no se comprende del todo, aunque un efecto secundario es que la presión incrementa el dopaje. El Bi-2223 es complejo, ya que posee tres planos de cobre-oxígeno distintos. Las dos capas externas de cobre-oxígeno suelen estar cerca del dopaje óptimo, mientras que la capa interna restante está marcadamente subdopada. Por lo tanto, la aplicación de presión en el Bi-2223 provoca que la Tc aumente hasta un máximo de aproximadamente 123 K debido a la optimización de los dos planos externos. Tras un descenso prolongado, la Tc vuelve a aumentar hacia 140 K debido a la optimización del plano interno. Un desafío clave , por consiguiente, es determinar cómo optimizar simultáneamente todas las capas de cobre-oxígeno.  

BSCCO es un superconductor de tipo II . El campo crítico superior H c2 en muestras policristalinas de Bi-2212 a 4,2  K se ha medido como 200  ±  25  T (cf 168 ± 26  T para muestras policristalinas de 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 se desacoplan. Aunque BSCCO tiene un campo crítico superior más alto que YBCO, tiene un H * mucho más bajo (típicamente menor en un factor de 100) [ 11 ] lo que limita su uso para hacer imanes de alto campo. Es por esta razón que los conductores de YBCO son preferidos a los de BSCCO, aunque son mucho más difíciles de fabricar.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 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. Bibcode : 1988JaJAP..27L.209M . doi : 10.1143/JJAP.27.L209 .
  2. ^ CL Briant; Salón EL; KW Lay; IE Tkaczyk (1994). "Evolución microestructural del BSCCO-2223 durante el procesamiento de polvo en tubo". J. Mater. Res . 9 (11): 2789– 2808. Bibcode : 1994JMatR...9.2789B . doi : 10.1557/JMR.1994.2789 . S2CID 135525314 . 
  3. ↑ 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 .
  4. ↑ "Materiales HTS para los cables de corriente del LHC" . 23 de noviembre de 2005. Archivado del original el 7 de junio de 2024. Consultado el 19 de agosto de 2024 .
  5. ↑ MA Subramanian; et al. (1988). "Un nuevo superconductor de alta temperatura: Bi 2 Sr 3− x Ca x Cu 2 O 8+ y ". Science . 239 (4843): 1015– 1017. Bibcode : 1988Sci...239.1015S . doi : 10.1126/science.239.4843.1015 . PMID 17815702 . S2CID 35551648 .   
  6. ↑ RJ Cava; et al. (1988). "Estructura y propiedades físicas de monocristales del superconductor de 84 K Bi 2.2 Sr 2 Ca 0.8 Cu 2 O 8+δ ". Physical Review B . 38 (1): 893– 896. Bibcode : 1988PhRvB..38..893S . doi : 10.1103/PhysRevB.38.893 . PMID 9945287 .  
  7. ↑ JL Tallon ; et al. (1988). "Fases superconductoras de alta T c en la serie Bi 2.1 (Ca,Sr) n +1 Cu n O 2 n +4+δ ". Nature . 333 (6169): 153– 156. Bibcode : 1988Natur.333..153T . doi : 10.1038/333153a0 . S2CID 4348096 .  
  8. ↑ MR Presland; et al. (1991). "Tendencias generales en los efectos de la estequiometría del oxígeno en los superconductores de Bi y Tl". Physica C . 176 ( 1– 3): 95. Bibcode : 1991PhyC..176...95P . doi : 10.1016/0921-4534(91)90700-9 . 
  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 de huecos en YBa 2 Cu 3 O 7−δ ". Physical Review B. 51 ( 18): (R)12911–4. Bibcode : 1995PhRvB..5112911T . doi : 10.1103/PhysRevB.51.12911 . PMID 9978087 .  
  10. ↑ AI Golovashkin; et al. (1991). "Mediciones directas a baja temperatura de H c2 en HTSC utilizando campos magnéticos de megagauss". Physica C: Superconductivity . 185– 189: 1859– 1860. Bibcode : 1991PhyC..185.1859G . doi : 10.1016/0921-4534(91)91055-9 . 
  11. ↑ K. Togano; et al. (1988). "Propiedades de los superconductores de Bi-Sr-Ca-Cu-O dopados con Pb". Applied Physics Letters . 53 (14): 1329– 1331. Bibcode : 1988ApPhL..53.1329T . doi : 10.1063/1.100452 . 
  • Cinta BSCCO-2223 en el laboratorio de EE. UU . . magnet.fsu.edu . Archivado del original el 12 de abril de 2013.
  • Fabricación de investigación de 2212 sobre MgO en 1993. Archivado el 10 de enero de 2018 en Wayback Machine (pdf).
  • Estructura electrónica local de Bi2Sr2CaCu2O8 cerca de dopantes de oxígeno...
  • Kaminski, A.; Rosenkranz, S.; Fretwell, HM; Norman, MR; Randeria, M.; Campuzano, JC; Park, JM.; Li, ZZ; Raffy, H. (2006). "Cambio de la topología de la superficie de Fermi en Bi2Sr2CaCu2O8+δ con dopaje". Physical Review B . 73 (17) 174511. arXiv : cond-mat/0507106 . Bibcode : 2006PhRvB..73q4511K . doi : 10.1103/PhysRevB.73.174511 . S2CID 116213053 .