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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 a 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 utilizar en futuros aceleradores de partículas posteriores al Gran Colisionador de Hadrones , que utiliza superconductores de baja temperatura. [4] [5]

Materiales

En un ReBCO se puede utilizar cualquier elemento de tierras raras ; 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 proporción molar entre tierras raras, bario y cobre.

YBCO

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

El ReBCO más famoso es el óxido de itrio, bario y cobre , YBa 2 Cu 3 O 7−x (o Y123), el primer superconductor encontrado con una temperatura crítica superior al punto de ebullición del nitrógeno líquido . [10] Su relación molar es de 1 a 2 a 3 para itrio, bario y cobre y tiene una celda unitaria que consta de subunidades, que es la estructura típica de las perovskitas . En particular, las subunidades son tres, se superponen 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 según la secuencia [Ba-Y-Ba], a lo largo de un eje convencionalmente indicado por c , (la dirección vertical en la figura de la derecha).

La célula 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, fue 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 el aislamiento de la cinta, ahorrando espacio y reduciendo los voltajes requeridos. Otro fue el tamaño del imán: 10 toneladas, mucho más grande que cualquier experimento anterior. El conjunto magnético constaba de 16 placas, llamadas panqueques, cada una de las cuales albergaba una cinta en espiral en un lado y canales de enfriamiento en el otro. [dieciséis]

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 40T.

Ver también

Referencias

  1. ^ Jha, Alok K.; Matsumoto, Kaname (2019). "Películas delgadas superconductoras REBCO y sus nanocompuestos: el papel de los óxidos de tierras raras en la promoción de la energía sostenible". Fronteras en Física . 7 : 82. Código Bib : 2019FrP.....7...82J. doi : 10.3389/fphy.2019.00082 . ISSN  2296-424X.
  2. ^ Fisk, Z.; Thompson, JD; Zirngiebl, E.; Smith, JL; Cheong, SW. (junio de 1987). "Superconductividad de óxidos de tierras raras, bario y cobre". Comunicaciones de estado sólido . 62 (11): 743–744. Código Bib : 1987SSCom..62..743F. doi :10.1016/0038-1098(87)90038-X.
  3. ^ "Los nuevos superconductores generan esperanzas para un rápido desarrollo de un reactor de fusión compacto". El ingeniero . 14 de agosto de 2015 . Consultado el 21 de junio de 2020 .
  4. ^ "Hasta 20 Tesla y más: 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 la 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.; Bajo.; Cardwell, DA (8 de noviembre de 1999). "El comportamiento de irreversibilidad del NdBaCuO fabricado mediante procesamiento de fusión superior". Letras de Física Aplicada . 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, Kevin; Nouailhetas, Quentin; Douine, Bruno; Muralidhar, Miryala; Murakami, Masato (agosto de 2019). "Comparación de las dependencias de campo y temperatura de las densidades de corriente críticas de YBCO a granel, MgB₂ y superconductores a base de hierro". Transacciones IEEE sobre superconductividad aplicada . 29 (5): 1–5. Código Bib : 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 Y-Ba-Cu-O de fase mixta a presión ambiente" (PDF) . Cartas de revisión física . 58 (9). JR Ashburn, CJ Torng, PH Hor, RL Meng, L. Gao, ZJ Huang, YQ Wang y CW Chu: 908–910. Código bibliográfico : 1987PhRvL..58..908W. doi :10.1103/PhysRevLett.58.908. PMID  10035069. S2CID  18428336.
  11. ^ Hazen, RM; Dedo, LW; Ángel, RJ; Prewitt, CT; Ross, NL; Mao, Hong Kong; Hadidiacos, CG; Hor, PH; Meng, RL; Chu, CW (1 de mayo de 1987). "Descripción cristalográfica de fases del superconductor Y-Ba-Cu-O". Revisión física B. 35 (13): 7238–7241. Código bibliográfico : 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, cristiano; Mondonico, Giorgio (2015). "Propiedades electromecánicas de conductores recubiertos de ReBCO de varios fabricantes industriales a 77 K, autocampo y 4,2 K, 19 T". Ciencia y tecnología de superconductores . 28 (4): 045011. arXiv : 1502.06713 . Código Bib : 2015SuScT..28d5011B. doi :10.1088/0953-2048/28/4/045011. S2CID  118673085.
  14. ^ "Resumen de sistemas de fusión de Eni y Commonwealth". www.eni.com . Consultado el 2 de diciembre de 2021 .
  15. ^ "El MIT aumenta el imán de 10 toneladas hasta 20 tesla en 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 de Tecnología de Massachusetts . 2024-03-04 . Consultado el 2 de abril de 2024 .
  17. ^ Hall, Heather (3 de julio de 2023). "Ganador del día de I+D 100: imán superconductor de 32 Tesla". Revista I+D . Consultado el 13 de julio de 2023 .
  18. ^ "Conozca el imán superconductor de 32 Tesla". Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético . 21 de marzo de 2023 . Consultado el 13 de julio de 2023 .