El diboruro de magnesio es un compuesto inorgánico de magnesio y boro con la fórmula MgB 2 . Es un sólido gris oscuro, insoluble en agua. El compuesto ha llamado la atención porque se vuelve superconductor a 39 K (−234 °C). En términos de su composición, el MgB 2 difiere notablemente de la mayoría de los superconductores de baja temperatura, que presentan principalmente metales de transición. Su mecanismo superconductor se describe principalmente mediante la teoría BCS .
Las propiedades superconductoras del diboruro de magnesio se descubrieron en 2001. [1] Su temperatura crítica ( T c ) de 39 K (−234 °C; −389 °F) es la más alta entre los superconductores convencionales . Entre los superconductores convencionales ( mediados por fonones ), es inusual. Su estructura electrónica es tal que existen dos tipos de electrones en el nivel de Fermi con comportamientos muy diferentes, uno de ellos ( enlace sigma ) es mucho más superconductor que el otro ( enlace pi ). Esto está en desacuerdo con las teorías habituales de superconductividad mediada por fonones que asumen que todos los electrones se comportan de la misma manera. La comprensión teórica de las propiedades del MgB 2 casi se ha logrado modelando dos brechas de energía. En 2001 se consideró que se comportaba más como un superconductor metálico que como un cuprato . [2]
Utilizando la teoría BCS y las brechas de energía conocidas de las bandas pi y sigma de los electrones (2,2 y 7,1 meV, respectivamente), se ha descubierto que las bandas pi y sigma de los electrones tienen dos longitudes de coherencia diferentes (51 nm y 13 nm, respectivamente). [3] Las profundidades de penetración de London correspondientes son 33,6 nm y 47,8 nm. Esto implica que los parámetros de Ginzburg-Landau son 0,66±0,02 y 3,68, respectivamente. El primero es menor que 1/ √ 2 y el segundo es mayor, por lo tanto, el primero parece indicar superconductividad marginal de tipo I y el segundo superconductividad de tipo II.
Se ha predicho que cuando dos bandas diferentes de electrones producen dos cuasipartículas, una de las cuales tiene una longitud de coherencia que indicaría superconductividad de tipo I y una de las cuales indicaría tipo II, entonces, en ciertos casos, los vórtices se atraen a largas distancias y se repelen a distancias cortas. [4] En particular, la energía potencial entre vórtices se minimiza a una distancia crítica. Como consecuencia, existe una nueva fase conjeturada llamada estado semi-Meissner , en el que los vórtices están separados por la distancia crítica. Cuando el flujo aplicado es demasiado pequeño para que todo el superconductor se llene con una red de vórtices separados por la distancia crítica, entonces hay grandes regiones de superconductividad de tipo I, un estado de Meissner, que separan estos dominios.
Recientemente, se ha confirmado experimentalmente esta conjetura con experimentos realizados con MgB2 a 4,2 Kelvin. Los autores descubrieron que, en efecto, existen regímenes con una densidad de vórtices mucho mayor. Mientras que la variación típica en el espaciamiento entre los vórtices de Abrikosov en un superconductor de tipo II es del orden del 1%, encontraron una variación del orden del 50%, en línea con la idea de que los vórtices se agrupan en dominios donde pueden estar separados por la distancia crítica. El término superconductividad de tipo 1,5 se acuñó para este estado.
El diboruro de magnesio se sintetizó y su estructura se confirmó en 1953. [5] La síntesis más simple implica una reacción a alta temperatura entre polvos de boro y magnesio . [2] La formación comienza a 650 °C; sin embargo, dado que el magnesio metálico se funde a 652 °C, la reacción puede implicar la difusión de vapor de magnesio a través de los límites de los granos de boro. A temperaturas de reacción convencionales, la sinterización es mínima, aunque la recristalización de los granos es suficiente para el efecto túnel cuántico de Josephson entre los granos. [ cita requerida ]
El alambre superconductor de diboruro de magnesio se puede producir mediante procesos ex situ e in situ de polvo en tubo (PIT) . [6] En la variante in situ , se reduce el diámetro de una mezcla de boro y magnesio mediante trefilado convencional . Luego, el alambre se calienta a la temperatura de reacción para formar MgB 2 . En la variante ex situ , el tubo se llena con polvo de MgB 2 , se reduce el diámetro y se sinteriza a una temperatura de entre 800 y 1000 °C. En ambos casos, el prensado isostático en caliente posterior a aproximadamente 950 °C mejora aún más las propiedades. [ cita requerida ]
Una técnica alternativa, divulgada en 2003, emplea la infiltración reactiva de líquido de magnesio dentro de una preforma granular de polvos de boro y se denominó técnica Mg-RLI. [7] El método permitió la fabricación de materiales a granel de alta densidad (más del 90% de la densidad teórica para MgB 2 ) y fibras huecas especiales. Este método es equivalente a métodos similares basados en el crecimiento de la masa fundida, como el método de procesamiento de infiltración y crecimiento utilizado para fabricar superconductores YBCO a granel, donde el Y 2 BaCuO 5 no superconductor se utiliza como preforma granular dentro de la cual se infiltran fases líquidas basadas en YBCO para fabricar YBCO a granel superconductor. Este método ha sido copiado y adaptado para MgB 2 y rebautizado como Infiltración reactiva de líquido de Mg. El proceso de infiltración reactiva de líquido de Mg en una preforma de boro para obtener MgB 2 ha sido objeto de solicitudes de patente por parte de la empresa italiana Edison SpA [ cita requerida ]
La deposición híbrida físico-química en fase de vapor (HPCVD) ha sido la técnica más eficaz para depositar películas delgadas de diboruro de magnesio (MgB 2 ). [8] Las superficies de las películas de MgB 2 depositadas mediante otras tecnologías suelen ser rugosas y no estequiométricas . Por el contrario, el sistema HPCVD puede generar películas de MgB 2 puro in situ de alta calidad con superficies lisas, que son necesarias para crear uniones Josephson uniformes reproducibles , el elemento fundamental de los circuitos superconductores.
Las propiedades dependen en gran medida de la composición y del proceso de fabricación. Muchas propiedades son anisotrópicas debido a la estructura en capas. Las muestras "sucias", por ejemplo, con óxidos en los límites de los cristales, son diferentes de las muestras "limpias". [9]
Varios medios de dopar MgB2 con carbono (por ejemplo, utilizando ácido málico al 10 % ) pueden mejorar el campo crítico superior y la densidad de corriente máxima [10] [11] (también con acetato de polivinilo [12] ).
El dopaje del 5% con carbono puede aumentar H c2 de 16 a 36 T mientras que reduce T c solo de 39 K a 34 K. La corriente crítica máxima ( J c ) se reduce, pero el dopaje con TiB 2 puede reducir la disminución. [13] (El dopaje de MgB 2 con Ti está patentado. [14] )
La corriente crítica máxima ( J c ) en el campo magnético aumenta considerablemente (aproximadamente el doble a 4,2 K) al dopar con ZrB 2 . [15]
Incluso pequeñas cantidades de dopaje llevan a ambas bandas al régimen de tipo II, por lo que no se puede esperar un estado semi-Meissner.
El MgB 2 es un superconductor multibanda, es decir, cada superficie de Fermi tiene una brecha de energía superconductora diferente. Para el MgB 2 , el enlace sigma del boro es fuerte e induce una gran brecha superconductora de ondas s, y el enlace pi es débil e induce una pequeña brecha de ondas s. [16] Los estados de cuasipartículas de los vórtices de gran brecha están altamente confinados al núcleo del vórtice. Por otro lado, los estados de cuasipartículas de pequeña brecha están débilmente ligados al núcleo del vórtice. Por lo tanto, pueden deslocalizarse y superponerse fácilmente entre vórtices adyacentes. [17] Dicha deslocalización puede contribuir fuertemente a la conductividad térmica , que muestra un aumento abrupto por encima de H c1 . [16]
Las propiedades superconductoras y el bajo costo hacen que el diboruro de magnesio sea atractivo para una variedad de aplicaciones. [18] [19] Para esas aplicaciones, el polvo de MgB2 se comprime con metal de plata (o acero inoxidable 316) en alambre y, a veces, cinta a través del proceso de polvo en tubo .
En 2006 se construyó un sistema de imán superconductor de resonancia magnética abierto de 0,5 tesla utilizando 18 km de cables de MgB 2 . Este sistema de resonancia magnética utilizó un refrigerador criogénico de circuito cerrado , sin necesidad de líquidos criogénicos suministrados externamente para enfriar. [20] [21]
"... los instrumentos de resonancia magnética de próxima generación deben estar hechos de bobinas de MgB2 en lugar de bobinas de NbTi , que funcionen en el rango de 20 a 25 K sin helio líquido para enfriarse. ... Además de las aplicaciones magnéticas, los conductores de MgB2 tienen usos potenciales en transformadores superconductores, rotores y cables de transmisión a temperaturas de alrededor de 25 K, en campos de 1 T." [19]
Un proyecto en el CERN para fabricar cables de MgB 2 ha dado como resultado cables de prueba superconductores capaces de transportar 20.000 amperios para aplicaciones de distribución de corriente extremadamente alta, como la mejora de alta luminosidad del Gran Colisionador de Hadrones . [22]
El diseño del tokamak IGNITOR se basó en MgB 2 para sus bobinas poloidales. [23]
Se pueden utilizar recubrimientos delgados en cavidades de radiofrecuencia superconductoras para minimizar la pérdida de energía y reducir la ineficiencia de las cavidades de niobio refrigeradas con helio líquido.
Debido al bajo costo de sus elementos constituyentes, el MgB2 es prometedor para su uso en imanes superconductores de campo bajo a medio, motores y generadores eléctricos, limitadores de corriente de falla y conductores de corriente. [ cita requerida ]
A diferencia del boro elemental, cuya combustión es incompleta a través de la capa de óxido vítreo que impide la difusión del oxígeno, el diboruro de magnesio se quema completamente cuando se enciende en oxígeno o en mezclas con oxidantes. [24] Por lo tanto, el boruro de magnesio se ha propuesto como combustible en reactores de estatorreactor . [25] Además, se ha propuesto el uso de MgB 2 en explosivos mejorados por explosión [26] y propelentes por las mismas razones. Las bengalas señuelo que contienen diboruro de magnesio/ teflón / Viton muestran un aumento del 30-60% en la eficiencia espectral, E λ (J g −1 sr −1 ), en comparación con las cargas útiles clásicas de magnesio/teflón/Viton (MTV). [27] También se ha investigado una aplicación del diboruro de magnesio a la propulsión híbrida de cohetes, mezclando el compuesto en granos de combustible de cera de parafina para mejorar las propiedades mecánicas y las características de combustión. [28]
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