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Óxido de cobre y bario de tierras raras

Celda unitaria de YBCO

El óxido de cobre y bario de tierras raras ( ReBCO [1] ) es una familia de compuestos químicos conocidos por exhibir superconductividad de alta temperatura (HTS). [2] Los superconductores ReBCO tienen el potencial de sostener campos magnéticos más fuertes que otros materiales superconductores. Debido a su alta temperatura crítica y campo magnético crítico, esta clase de materiales se propone para su uso en aplicaciones técnicas donde los superconductores convencionales de baja temperatura no son suficientes. Esto incluye reactores de fusión por confinamiento magnético como el reactor ARC , que permite una construcción más compacta y potencialmente más económica, [3] e imanes superconductores para usar en futuros aceleradores de partículas que vendrán después del Gran Colisionador de Hadrones , que utiliza superconductores de baja temperatura. [4] [5]

Materiales

Se puede utilizar cualquier elemento de tierras raras en un ReBCO; las opciones populares incluyen itrio ( YBCO ), lantano ( LBCO ), samario (Sm123), [6] neodimio (Nd123 y Nd422), [7] gadolinio (Gd123) y europio (Eu123), [8] donde los números entre paréntesis indican la relación molar entre tierras raras, bario y cobre.

YBCO

Corriente crítica de YBCO (K A /cm 2 ) vs temperatura absoluta ( K ), a diferentes campos magnéticos ( T ). [9]

El ReBCO más famoso es el óxido de itrio, bario y cobre , YBa2Cu3O7 −x (o Y123), el primer superconductor encontrado con una temperatura crítica por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido . [10] Su relación molar es de 1 a 2 a 3 para el itrio, el bario y el cobre y tiene una celda unitaria que consta de subunidades, que es la estructura típica de las perovskitas . En particular, las subunidades son tres, superpuestas y contienen un átomo de itrio en el centro de la del medio y un átomo de bario en el centro de las otras. Por lo tanto, el itrio y el bario se apilan de acuerdo con la secuencia [Ba-Y-Ba], a lo largo de un eje denotado convencionalmente por c (la dirección vertical en la figura de la derecha).

La celda resultante tiene una estructura ortorrómbica , a diferencia de otros cupratos superconductores que generalmente tienen una estructura tetragonal . Todos los sitios de las esquinas de la celda unitaria están ocupados por cobre, que tiene dos coordenadas diferentes, Cu(1) y Cu(2), con respecto al oxígeno. Ofrece cuatro posibles sitios cristalográficos para el oxígeno: O(1), O(2), O(3) y O(4). [11]

Historia

Debido a que este tipo de materiales son frágiles, era difícil crear cables a partir de ellos. Después de 2010, los fabricantes industriales comenzaron a producir cintas [12] con diferentes capas que encapsulaban el material ReBCO, [13] abriendo el camino a usos comerciales.

En septiembre de 2021, Commonwealth Fusion Systems (CFS) creó un imán de prueba con cinta ReBCO que manejaba una corriente de 40.000 amperios , con un campo magnético de 20 tesla a 20 K. [14] [15] Una innovación importante fue evitar aislar la cinta, ahorrando espacio y reduciendo los voltajes requeridos. Otra fue el tamaño del imán: 10 toneladas, mucho más grande que cualquier experimento anterior. El conjunto del imán constaba de 16 placas, llamadas panqueques, cada una de las cuales albergaba un devanado en espiral de cinta en un lado y canales de refrigeración en el otro. [16]

En 2023, el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético generó 32 teslas con un imán superconductor ReBCO. [17] [18] Se está construyendo un imán superconductor de 40 T.

Véase también

Referencias

  1. ^ Jha, Alok K.; Matsumoto, Kaname (2019). "Películas delgadas superconductoras de REBCO y sus nanocompuestos: el papel de los óxidos de tierras raras en la promoción de la energía sostenible". Frontiers in Physics . 7 : 82. Bibcode :2019FrP.....7...82J. doi : 10.3389/fphy.2019.00082 . ISSN  2296-424X.
  2. ^ Fisk, Z.; Thompson, J. D.; Zirngiebl, E.; Smith, J. L.; Cheong, SW. (junio de 1987). "Superconductividad de óxidos de tierras raras, bario y cobre". Solid State Communications . 62 (11): 743–744. Bibcode :1987SSCom..62..743F. doi :10.1016/0038-1098(87)90038-X.
  3. ^ "Nuevos superconductores generan esperanza para el rápido desarrollo de un reactor de fusión compacto". The Engineer . 14 de agosto de 2015 . Consultado el 21 de junio de 2020 .
  4. ^ "Hasta 20 Tesla y más allá: los superconductores de alta temperatura". CERN . Consultado el 5 de noviembre de 2021 .
  5. ^ van Nugteren, J.; Kirby, G.; Murtomäki, Jaakko Samuel. "Hacia dipolos REBCO 20T+ para aceleradores". Puerta de investigación . G. de Rijk, L. Rossi y A. Stenvall.
  6. ^ Kasuga, K.; Muralidhar, M.; Diko, P. (1 de enero de 2016). "Análisis SEM y SEM por EDX de SmBa2Cu3Oy procesado con aire". Procedimientos de Física . 81 : 41–44. Código Bib : 2016PhPro..81...41K. doi : 10.1016/j.phpro.2016.04.018 .
  7. ^ Hari Babu, N.; Lo, W.; Cardwell, DA (8 de noviembre de 1999). "El comportamiento de irreversibilidad de NdBaCuO fabricado mediante procesamiento de fusión con semilla superior". Applied Physics Letters . 75 (19): 2981–2983. Código Bibliográfico :1999ApPhL..75.2981H. doi :10.1063/1.125208 . Consultado el 12 de octubre de 2021 .
  8. ^ Murakami, M.; Sakai, N.; Higuchi, T.; Yoo, SI (1996). "Elemento de tierras raras ligero procesado por fusión - Ba - Cu - O". Ciencia y tecnología de superconductores . 9 (12): 1015-1032. doi :10.1088/0953-2048/9/12/001. S2CID  250762176 . Consultado el 12 de octubre de 2021 .
  9. ^ Koblischka-Veneva, Anjela; Koblischka, Michael R.; Berger, Kévin; Nouailhetas, Quentin; Douine, Bruno; Muralidhar, Miryala; Murakami, Masato (agosto de 2019). "Comparación de las dependencias de temperatura y campo de las densidades de corriente críticas de superconductores a granel de YBCO, MgB₂ y hierro". IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 29 (5): 1–5. Bibcode :2019ITAS...2900932K. doi :10.1109/TASC.2019.2900932. ISSN  1558-2515. S2CID  94789535.
  10. ^ Wu, MK (1987). "Superconductividad a 93 K en un nuevo sistema compuesto de Y-Ba-Cu-O en fase mixta a presión ambiente" (PDF) . Physical Review Letters . 58 (9). JR Ashburn, CJ Torng, PH Hor, RL Meng, L. Gao, ZJ Huang, YQ Wang, et CW Chu: 908–910. Bibcode :1987PhRvL..58..908W. doi :10.1103/PhysRevLett.58.908. PMID  10035069. S2CID  18428336.
  11. ^ Hazen, RM; Finger, LW; Angel, RJ; Prewitt, CT; Ross, NL; Mao, HK; Hadidiacos, CG; Hor, PH; Meng, RL; Chu, CW (1987-05-01). "Descripción cristalográfica de fases en el superconductor Y-Ba-Cu-O". Physical Review B . 35 (13): 7238–7241. Bibcode :1987PhRvB..35.7238H. doi :10.1103/PhysRevB.35.7238. PMID  9941012.
  12. ^ "Cinta superconductora de alta temperatura ReBCO". www.fusionenergybase.com . Consultado el 5 de noviembre de 2021 .
  13. ^ Barth, Christian; Mondonico, Giorgio (2015). "Propiedades electromecánicas de conductores revestidos con ReBCO de varios fabricantes industriales a 77 K, campo propio y 4,2 K, 19 T". Superconductor Science and Technology . 28 (4): 045011. arXiv : 1502.06713 . Código Bibliográfico :2015SuScT..28d5011B. doi :10.1088/0953-2048/28/4/045011. S2CID  118673085.
  14. ^ "Resumen de los sistemas de fusión de Eni y Commonwealth". www.eni.com . Consultado el 2 de diciembre de 2021 .
  15. ^ "MIT aumenta la potencia de un imán de 10 toneladas a 20 teslas en una prueba de concepto para la fusión comercial - ANS / Nuclear Newswire" www.ans.org . Consultado el 2 de diciembre de 2021 .
  16. ^ "Las pruebas muestran que los imanes superconductores de alta temperatura están listos para la fusión". Noticias del MIT | Instituto Tecnológico de Massachusetts . 2024-03-04 . Consultado el 2024-04-02 .
  17. ^ Hall, Heather (3 de julio de 2023). «Ganador del día de R&D 100: imán superconductor de 32 Tesla». Revista R&D . Consultado el 13 de julio de 2023 .
  18. ^ "Conoce el imán superconductor de 32 Tesla". Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético . 21 de marzo de 2023. Consultado el 13 de julio de 2023 .