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Óxido de itrio, bario y cobre

El óxido de itrio, bario y cobre ( YBCO ) es una familia de compuestos químicos cristalinos que muestran superconductividad a alta temperatura ; incluye el primer material jamás descubierto que se vuelve superconductor por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido [77 K (−196,2 °C; −321,1 °F)] a aproximadamente 93 K (−180,2 °C; −292,3 °F). [3]

Muchos compuestos de YBCO tienen la fórmula general Y Ba 2 Cu 3 O 7− x (también conocida como Y123), aunque existen materiales con otras proporciones Y:Ba:Cu, como Y Ba 2 Cu 4 O y (Y124) o Y 2 Ba 4 Cu 7 O y (Y247). En la actualidad, no existe una teoría singularmente reconocida para la superconductividad a alta temperatura.

Es parte del grupo más general de óxidos de bario y cobre de tierras raras (ReBCO) en el que, en lugar de itrio, están presentes otras tierras raras.

Historia

En abril de 1986, Georg Bednorz y Karl Müller , que trabajaban en IBM en Zúrich , descubrieron que ciertos óxidos semiconductores se volvían superconductores a temperaturas relativamente altas; en particular, un óxido de cobre, bario y lantano se volvía superconductor a 35 K. Este óxido era un material relacionado con la perovskita deficiente en oxígeno que resultó prometedor y estimuló la búsqueda de compuestos relacionados con temperaturas de transición superconductoras más altas. En 1987, Bednorz y Müller recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Física por este trabajo.

Tras el descubrimiento de Bednorz y Müller, un equipo dirigido por Paul Ching Wu Chu en la Universidad de Alabama en Huntsville y la Universidad de Houston descubrió que el YBCO tiene una temperatura crítica de transición superconductora ( T c ) de 93 K. [3] Las primeras muestras fueron Y 1.2 Ba 0.8 Cu O 4 , pero se trataba de una composición media para dos fases, una negra y otra verde. Los trabajadores de Bell Laboratories identificaron la fase negra como el superconductor, determinaron su composición YBa 2 Cu 3 O 7−δ y la sintetizaron en una sola fase [4]

El YBCO fue el primer material que se volvió superconductor por encima de los 77 K, el punto de ebullición del nitrógeno líquido , mientras que la mayoría de los demás superconductores requieren criógenos más costosos. No obstante, el YBCO y sus muchos materiales relacionados aún no han desplazado a los superconductores que requieren helio líquido para enfriarse.

Síntesis

El YBCO relativamente puro se sintetizó por primera vez calentando una mezcla de carbonatos metálicos a temperaturas entre 1000 y 1300 K. [5] [6]

4 BaCO 3 + Y 2 (CO 3 ) 3 + 6 CuCO 3 + ( 1 ⁄ 2 − x ) O 2 → 2 YBa 2 Cu 3 O 7− x + 13 CO 2

Las síntesis modernas de YBCO utilizan los óxidos y nitratos correspondientes. [6]

Las propiedades superconductoras de YBa 2 Cu 3 O 7− x son sensibles al valor de x , su contenido de oxígeno. Solo aquellos materiales con 0 ≤ x ≤ 0,65 son superconductores por debajo de T c , y cuando x ~ 0,07 , el material es superconductor a la temperatura más alta de95 K , [6] o en los campos magnéticos más altos:120  T para B perpendicular y250 T para B paralelo a los planos CuO 2 . [7]

Además de ser sensibles a la estequiometría del oxígeno, las propiedades del YBCO se ven influenciadas por los métodos de cristalización utilizados. Se debe tener cuidado al sinterizar el YBCO. El YBCO es un material cristalino y las mejores propiedades superconductoras se obtienen cuando los límites de los granos de los cristales se alinean mediante un control cuidadoso de las velocidades de recocido y de temple .

Desde que Wu y sus colaboradores descubrieron el YBCO, se han desarrollado otros métodos para sintetizarlo, como la deposición química en fase de vapor (CVD), [5] [6] el método sol-gel [ 8] y el método de aerosol [9] . Sin embargo, estos métodos alternativos aún requieren una sinterización cuidadosa para producir un producto de calidad.

Sin embargo, se han abierto nuevas posibilidades desde el descubrimiento de que el ácido trifluoroacético ( TFA ), una fuente de flúor, previene la formación del indeseado carbonato de bario (BaCO 3 ). Rutas como la CSD (deposición química en solución) han abierto una amplia gama de posibilidades, particularmente en la preparación de largas cintas de YBCO. [10] Esta ruta reduce la temperatura necesaria para obtener la fase correcta a alrededor de 700 °C (973 K; 1,292 °F). Esto, y la falta de dependencia del vacío, hace que este método sea una forma muy prometedora de obtener cintas de YBCO escalables.

Estructura

Parte de la estructura reticular del óxido de itrio, bario y cobre.

El YBCO cristaliza en una estructura de perovskita defectuosa que consta de capas. El límite de cada capa está definido por planos de unidades de CuO4 planares cuadradas que comparten 4 vértices. A veces, los planos pueden estar ligeramente fruncidos. [ 5] Perpendiculares a estos planos de CuO4 se encuentran cintas de CuO2 que comparten 2 vértices. Los átomos de itrio se encuentran entre los planos de CuO4 , mientras que los átomos de bario se encuentran entre las cintas de CuO2 y los planos de CuO4 . Esta característica estructural se ilustra en la figura de la derecha.

Al igual que muchos superconductores de tipo II , el YBCO puede exhibir fijación de flujo : las líneas de flujo magnético pueden estar fijadas en su lugar en un cristal, con una fuerza necesaria para mover una pieza desde una configuración particular de campo magnético. Una pieza de YBCO colocada sobre una pista magnética puede así levitar a una altura fija. [5]

Aunque el YBa 2 Cu 3 O 7 es un compuesto químico bien definido con una estructura y una estequiometría específicas, los materiales con menos de siete átomos de oxígeno por unidad de fórmula son compuestos no estequiométricos . La estructura de estos materiales depende del contenido de oxígeno. Esta no estequiometría se denota por la x en la fórmula química YBa 2 Cu 3 O 7− x . Cuando x = 1, los sitios O(1) en la capa Cu(1) (como se etiqueta en la celda unitaria) están vacantes y la estructura es tetragonal . La forma tetragonal del YBCO es aislante y no superconductora. Aumentar ligeramente el contenido de oxígeno hace que se ocupen más sitios O(1). Para x < 0,65, se forman cadenas Cu-O a lo largo del eje b del cristal. La elongación del eje b cambia la estructura a ortorrómbica , con parámetros reticulares de a = 3,82, b = 3,89 y c = 11,68 Å. [12] Las propiedades superconductoras óptimas ocurren cuando x ~ 0,07, es decir, casi todos los sitios O(1) están ocupados, con pocas vacantes.

En experimentos donde se sustituyen otros elementos en los sitios Cu y Ba [ ¿por qué? ] , la evidencia ha demostrado que la conducción ocurre en los planos Cu(2)O mientras que las cadenas Cu(1)O(1) actúan como reservorios de carga, que proporcionan portadores a los planos CuO. Sin embargo, este modelo no aborda la superconductividad en el homólogo Pr123 ( praseodimio en lugar de itrio). [13] Esto (la conducción en los planos de cobre) confina la conductividad a los planos a - b y se observa una gran anisotropía en las propiedades de transporte. A lo largo del eje c , la conductividad normal es 10 veces menor que en el plano a - b . Para otros cupratos de la misma clase general, la anisotropía es incluso mayor y el transporte entre planos está altamente restringido.

Además, las escalas de longitud superconductoras muestran una anisotropía similar, tanto en profundidad de penetración (λ ab ≈ 150 nm, λ c ≈ 800 nm) como en longitud de coherencia (ξ ab ≈ 2 nm, ξ c ≈ 0,4 nm). Aunque la longitud de coherencia en el plano a - b es 5 veces mayor que la del eje c, es bastante pequeña en comparación con los superconductores clásicos como el niobio (donde ξ ≈ 40 nm). Esta modesta longitud de coherencia significa que el estado superconductor es más susceptible a disrupciones locales de interfaces o defectos del orden de una sola celda unitaria, como el límite entre dominios de cristales maclados. Esta sensibilidad a pequeños defectos complica la fabricación de dispositivos con YBCO, y el material también es sensible a la degradación por humedad.

Aplicaciones propuestas

Corriente crítica (KA/cm 2 ) vs temperatura absoluta (K), a diferente intensidad de campo magnético (T) en YBCO preparado por infiltración-crecimiento. [14]

Se han analizado muchas posibles aplicaciones de este y otros materiales superconductores de alta temperatura relacionados. Por ejemplo, los materiales superconductores se están utilizando como imanes en imágenes por resonancia magnética , levitación magnética y uniones Josephson . (El material más utilizado para cables eléctricos e imanes es el BSCCO ). [ cita requerida ]

El YBCO aún no se ha utilizado en muchas aplicaciones que involucran superconductores por dos razones principales:

El método más prometedor desarrollado para utilizar este material implica la deposición de YBCO en cintas metálicas flexibles recubiertas con óxidos metálicos amortiguadores. Esto se conoce como conductor recubierto . Se puede introducir textura (alineación del plano cristalino) en la cinta metálica (el proceso RABiTS) o se puede depositar una capa amortiguadora de cerámica texturizada, con la ayuda de un haz de iones, sobre un sustrato de aleación sin textura (el proceso IBAD ). Las capas de óxido posteriores evitan la difusión del metal desde la cinta al superconductor mientras transfieren la plantilla para texturizar la capa superconductora. Se utilizan nuevas variantes de las técnicas de deposición de CVD, PVD y solución para producir grandes longitudes de la capa final de YBCO a altas velocidades. Las empresas que siguen estos procesos incluyen American Superconductor , Superpower (una división de Furukawa Electric ), Sumitomo , Fujikura , Nexans Superconductors, Commonwealth Fusion Systems y European Advanced Superconductors. Un número mucho mayor de institutos de investigación también han producido cintas de YBCO mediante estos métodos. [ cita requerida ]

La cinta superconductora puede ser la clave para el diseño de un reactor de fusión tokamak que pueda lograr una producción de energía de equilibrio . [15] El YBCO se clasifica a menudo como un óxido de cobre y bario de tierras raras (REBCO). [16]

Modificación de la superficie

La modificación de la superficie de los materiales ha dado lugar a menudo a propiedades nuevas y mejoradas. La inhibición de la corrosión, la adhesión y nucleación de polímeros, la preparación de estructuras tricapa de superconductores orgánicos/aislantes/superconductores de alta temperatura térmica y la fabricación de uniones túnel de metal/aislante/superconductor se han desarrollado utilizando YBCO modificado en la superficie. [17]

Estos materiales moleculares estratificados se sintetizan mediante voltamperometría cíclica . Hasta ahora, se han producido capas de YBCO con alquilaminas, arilaminas y tioles con estabilidad variable de la capa molecular. Se ha propuesto que las aminas actúan como bases de Lewis y se unen a los sitios superficiales de Cu ácidos de Lewis en YBa2Cu3O7 para formar enlaces de coordinación estables .

Producción en masa

SuperOx pudo producir más de 186 millas de YBCO en 9 meses para su uso en un imán de fusión.

En 1987, poco después de su descubrimiento, el físico y autor científico Paul Grant publicó en la revista británica New Scientist una guía sencilla para sintetizar superconductores YBCO utilizando equipos ampliamente disponibles. [18] Gracias en parte a este artículo y publicaciones similares de la época, el YBCO se ha convertido en un superconductor de alta temperatura popular para su uso por parte de aficionados y en la educación, ya que el efecto de levitación magnética se puede demostrar fácilmente utilizando nitrógeno líquido como refrigerante.

En 2021, SuperOx, una empresa rusa y japonesa, desarrolló un nuevo proceso de fabricación para fabricar alambre de YBCO para reactores de fusión. Se demostró que este nuevo alambre conduce entre 700 y 2000 amperios por milímetro cuadrado. La empresa pudo producir 300 kilómetros de alambre en 9 meses, entre 2019 y 2021, mejorando drásticamente la capacidad de producción. La empresa utilizó un proceso de deposición de plasma-láser sobre un sustrato electropulido para fabricar una cinta de 12 mm de ancho y luego la cortó en cintas de 3 mm. [19]

Referencias

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  2. ^ Grekhov, I (1999). "Estudio del modo de crecimiento de películas ultradelgadas de HTSC YBCO sobre tampón YBaCuNbO". Physica C: Superconductivity . 324 (1): 39. Bibcode :1999PhyC..324...39G. doi : 10.1016/S0921-4534(99)00423-2 .
  3. ^ ab Wu, MK; Ashburn, JR; Torng, CJ; Hor, PH; Meng, RL; Gao, L; Huang, ZJ; Wang, YQ; Chu, CW (1987). "Superconductividad a 93 K en un nuevo sistema compuesto de fase mixta Y-Ba-Cu-O a presión ambiente". Physical Review Letters . 58 (9): 908–910. Código Bibliográfico :1987PhRvL..58..908W. doi : 10.1103/PhysRevLett.58.908 . PMID  10035069.
  4. ^ RJ Cava, B. Batlogg, RB van Dover, DW Murphy, S. Sunshine, T. Siegrist, JP Remeika, EA Rietman, S. Zahurak y GP Espinosa, Physical Review Letters 58, 1676 (1987), subm. 5 de marzo de 1987, "Superconductividad a granel a 91 K en perovskita monofásica deficiente en oxígeno Ba2YCu3O9−δ" / y patente estadounidense 6.6635.603 (BJ Batlogg, RJ Cava, RB van Dover), Macilwain, C. Bell Labs obtiene patente de superconductividad. Nature 403, 121–122 (2000). https://doi.org/10.1038/35003008 |
  5. ^ abcd Housecroft, CE; Sharpe, AG (2004). Química inorgánica (2.ª ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-039913-7.
  6. ^ abcde Greenwood, Norman N. ; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.
  7. ^ Sekitani, T.; Miura, N.; Ikeda, S.; Matsuda, YH; Shiohara, Y. (2004). "Campo crítico superior para YBa2Cu3O7−δ dopado de manera óptima " . Physica B : Condensed Matter . 346–347: 319–324. Bibcode :2004PhyB..346..319S. doi :10.1016/j.physb.2004.01.098.
  8. ^ Sun, Yang-Kook y Oh, In - Hwan ( 1996). "Preparación de polvos superconductores ultrafinos YBa2Cu3O7 − x mediante el método sol-gel asistido con alcohol polivinílico". Ind. Eng. Chem. Res . 35 (11): 4296. doi :10.1021/ie950527y.
  9. ^ Zhou, Derong (1991). "Generación de polvo superconductor de óxido de itrio, bario y cobre mediante un proceso de aerosol". Universidad de Cincinnati: 28. Código Bibliográfico : 1991PhDT.........28Z. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
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  14. ^ 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.
  15. ^ Una planta de fusión pequeña, modular y eficiente | MIT News. Newsoffice.mit.edu. Consultado el 9 de diciembre de 2015.
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  17. ^ Xu, F.; et al. (1998). "Química de coordinación de superficies de YBa 2 Cu 3 O 7−δ ". Langmuir . 14 (22): 6505. doi : 10.1021/la980143n.
  18. ^ Grant, Paul (30 de julio de 1987). "Do-it-yourself Superconductors". New Scientist . 115 (1571). Reed Business Information: 36 . Consultado el 12 de enero de 2019 .
  19. ^ Molodyk, A.; et al. (2021). "Desarrollo y producción en gran volumen de cables superconductores YBa2Cu3O7 de densidad de corriente extremadamente alta para fusión". Scientific Reports . 11 (1) 2084: 2084. doi : 10.1038/s41598-021-81559-z . PMC 7822827 . PMID  33483553. 

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