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 mucha atención). Descubierto como clase general en 1988, [1] BSCCO fue el primer superconductor de alta temperatura que no contenía un elemento de tierras raras .
Es un superconductor de cuprato , una categoría importante de superconductores de alta temperatura que comparten una estructura en capas bidimensional ( perovskita ) (ver figura a la derecha) y la superconductividad tiene lugar en un plano de óxido de cobre. BSCCO e YBCO son los superconductores de cuprato más estudiados.
Generalmente se hace referencia a tipos específicos de BSCCO utilizando la secuencia de números de 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 norte −1 Cu norte O 2 norte +2+ x . Existen otras variantes de estas familias de superconductores. En general, su temperatura crítica a la que se vuelven superconductores aumenta en 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. .
BSCCO fue el primer material HTS que se utilizó 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 de un alambre policristalino deben estar en muy buen contacto: deben ser atómicamente suaves. Además, debido a que la superconductividad reside sustancialmente sólo en los planos cobre-oxígeno, los granos deben estar alineados cristalográficamente. Por lo tanto, 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 unida sólo débilmente por las fuerzas de Van der Waals. Entonces, al igual que el grafito o la mica , la deformación provoca un deslizamiento en estos planos de BiO y los granos tienden a deformarse en placas alineadas. Además, debido a que BSCCO tiene n = 1, 2 y 3 miembros, estos naturalmente tienden a acomodar límites de grano de ángulo bajo, de modo que de hecho permanecen atómicamente suaves. Así, desde hace muchos años empresas como American Superconductor Corporation (AMSC) en EE.UU. y Sumitomo en Japón fabrican cables HTS de primera generación (denominados 1G), aunque AMSC ha abandonado el cable BSCCO en favor del cable 2G. basado en YBCO . [ cita necesaria ]
Normalmente, los polvos precursores se empaquetan en un tubo de plata, que luego se extruye para reducir su diámetro. Luego se vuelven a empaquetar como tubos múltiples en un tubo plateado y nuevamente se extruyen en diámetro, luego se reducen aún 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, dando una densidad de corriente crítica en los filamentos Bi-2223 de 5 kA/mm 2 . Esto aumenta notablemente al disminuir la temperatura , de modo que muchas aplicaciones se implementan a 30-35 K, aunque Tc sea 108 K.
Transmisión de energía eléctrica:
Electroimanes y sus conductores de corriente:
El BSCCO como 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 inmediatamente varios grupos, y más notablemente Subramanian [5] et al. en Dupont y Cava [6] et al. en AT&T Bell Labs, identificado Bi-2212. El miembro n = 3 resultó bastante esquivo y no fue identificado hasta aproximadamente un mes después por Tallon [7] et al. en un laboratorio de investigación gubernamental en Nueva Zelanda. Desde entonces sólo ha habido mejoras menores en estos materiales. Un avance clave fue reemplazar aproximadamente el 15% del Bi por Pb, lo que aceleró enormemente la formación y la calidad del Bi-2223.
BSCCO necesita estar dopado con huecos con un exceso de átomos de oxígeno ( x en la fórmula) para poder ser superconductor. Como en todos los superconductores de alta temperatura (HTS), la Tc es sensible al nivel exacto de dopaje: la Tc máxima 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 tanto, menor Tc ) generalmente se denominan subdopadas, mientras que aquellas con exceso de dopaje (también menor Tc ) se denominan sobredopadas. Así , cambiando el contenido de oxígeno, la Tc puede modificarse a voluntad. Según muchos criterios, [ se necesita aclaración ] los HTS sobredopados son superconductores fuertes, incluso si su Tc es inferior al óptimo, pero los HTS subdopados se vuelven extremadamente débiles. [ cita necesaria ]
La aplicación de presión externa generalmente eleva la Tc en muestras poco dopadas a valores que exceden con creces el máximo a presión ambiente. Esto no se comprende del todo, aunque un efecto secundario es que la presión aumenta el dopaje. Bi-2223 es complicado porque tiene tres planos distintos de cobre y oxígeno. Las dos capas externas de cobre y oxígeno suelen estar cerca del dopaje óptimo, mientras que la capa interna restante está marcadamente subdopada. Por tanto , la aplicación de presión en Bi-2223 da como resultado que Tc aumente hasta un máximo de aproximadamente 123 K debido a la optimización de los dos planos exteriores. Tras un descenso prolongado, Tc vuelve a subir hacia 140 K debido a la optimización del plano interior . 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 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 (generalmente más pequeño en un factor de 100) [11] , lo que limita su uso para fabricar imanes de alto campo. Es por esta razón que se prefieren los conductores de YBCO a los de BSCCO, aunque son mucho más difíciles de fabricar.