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 compuesto más estudiado (aunque n = 1 y n = 3 también han recibido una atención significativa). Descubierto como una clase general en 1988, [1] el 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) con superconductividad que tiene lugar en un plano de óxido de cobre. BSCCO e YBCO son los superconductores de cuprato más estudiados.
Los tipos específicos de BSCCO se suelen denominar mediante la secuencia de números de los iones metálicos. Por lo tanto, 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 talio de superconductores de alta temperatura 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 n −1 Cu n O 2 n +2+ x . Hay varias otras variantes de estas familias superconductoras. En general, su temperatura crítica a la que se vuelven superconductores aumenta para 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 cable policristalino deben estar en contacto extremadamente bueno: deben ser atómicamente lisos. Además, debido a que la superconductividad reside sustancialmente solo en los planos de cobre-oxígeno, los granos deben estar alineados cristalográficamente. Por lo tanto, BSCCO es un buen candidato porque sus granos se pueden alinear ya sea por procesamiento de fusión o por deformación mecánica. La doble capa de óxido de bismuto solo está débilmente unida por las fuerzas de van der Waals. Entonces, como el grafito o la mica , la deformación causa 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 tienden naturalmente a acomodar límites de grano de ángulo bajo, de modo que de hecho permanecen atómicamente lisos. Así, los cables HTS de primera generación (denominados 1G) se han fabricado durante muchos años por empresas como American Superconductor Corporation (AMSC) en los EE. UU. y Sumitomo en Japón, aunque AMSC ahora ha abandonado el cable BSCCO en favor del cable 2G basado en YBCO . [ cita requerida ]
Por lo general, los polvos precursores se empaquetan en un tubo de plata, que luego se extruye para reducir su diámetro. Luego, se vuelven a empaquetar como múltiples tubos en un tubo de plata y se vuelven a extruir para reducir su diámetro, luego se estiran más para formar una cinta plana. El último paso garantiza la alineación del grano. Luego, las cintas se hacen reaccionar a alta temperatura para formar una cinta conductora multifilamentaria Bi-2223 densa y 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, lo que da una densidad de corriente crítica en los filamentos Bi-2223 de 5 kA/mm 2 . Esto aumenta notablemente con la disminución de la temperatura, de modo que muchas aplicaciones se implementan a 30–35 K , aunque Tc es 108 K.
Transmisión de energía eléctrica:
Electroimanes y sus conductores de corriente:
El BSCCO como una nueva clase de superconductor fue descubierto alrededor de 1988 por Hiroshi Maeda y sus colegas [1] en el Instituto Nacional de Investigación de Metales en 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, identificaron el Bi-2212. El miembro n = 3 resultó bastante esquivo y no fue identificado hasta un mes más tarde por Tallon [7] et al. en un laboratorio de investigación del gobierno en Nueva Zelanda. Desde entonces, solo ha habido mejoras menores en estos materiales. Un desarrollo temprano clave fue reemplazar aproximadamente el 15% del Bi por Pb, lo que aceleró enormemente la formación y la calidad del Bi-2223.
El BSCCO necesita ser dopado con un exceso de átomos de oxígeno ( x en la fórmula) para ser superconductor. Como en todos los superconductores de alta temperatura (HTS), la T c es sensible al nivel exacto de dopaje: la T c 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 lo tanto, menor T c ) generalmente se denominan subdopadas, mientras que aquellas con exceso de dopaje (también menor T c ) están sobredopadas. Al cambiar el contenido de oxígeno, la T c se puede alterar a voluntad. Según muchas medidas, [ aclaración necesaria ] los HTS sobredopados son superconductores fuertes, incluso si su T c es menor que la óptima, pero los HTS subdopados se vuelven extremadamente débiles. [ cita requerida ]
La aplicación de presión externa generalmente eleva la Tc en muestras subdopadas a valores que superan ampliamente el máximo a presión ambiente. Esto no se entiende completamente, aunque un efecto secundario es que la presión aumenta el dopaje. El Bi-2223 es complicado porque tiene tres planos de cobre-oxígeno distintos. Las dos capas externas de cobre-oxígeno suelen estar cerca del dopaje óptimo, mientras que la capa interna restante está notablemente subdopada. Por lo tanto, la aplicación de presión en el Bi-2223 da como resultado un aumento de la Tc hasta un máximo de aproximadamente 123 K debido a la optimización de los dos planos externos. Después de un descenso prolongado, la Tc vuelve a aumentar hacia 140 K debido a la optimización del plano interno. Por lo tanto, un desafío clave es determinar cómo optimizar todas las capas de cobre-oxígeno simultáneamente.
BSCCO es un superconductor de tipo II . El campo crítico superior H c2 en muestras policristalinas Bi-2212 a 4,2 K se ha medido como 200 ± 25 T (cf 168 ± 26 T para muestras policristalinas 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 desacoplan. Aunque BSCCO tiene un campo crítico superior más alto que YBCO, tiene un H * mucho más bajo (normalmente más pequeño por un factor de 100) [11], lo que limita su uso para fabricar imanes de campo alto. Es por esta razón que los conductores de YBCO se prefieren a BSCCO, aunque son mucho más difíciles de fabricar.