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 conocido como Y123), aunque existen materiales con otras relaciones 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 sobre la superconductividad a altas temperaturas.
Forma parte del grupo más general de óxidos de cobre y bario de tierras raras (ReBCO) en el que, en lugar de itrio, están presentes otras tierras raras.
En abril de 1986, Georg Bednorz y Karl Müller , trabajando en IBM en Zurich , descubrieron que ciertos óxidos semiconductores se volvían superconductores a temperaturas relativamente altas; en particular, un óxido de lantano, bario y cobre se volvía superconductor a 35 K. Este óxido era una perovskita deficiente en oxígeno. -material relacionado 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 de la Universidad de Alabama en Huntsville y la Universidad de Houston descubrió que YBCO tiene una temperatura crítica de transición superconductora ( Tc ) de 93 K. [3] Las primeras muestras fueron Y 1,2 Ba 0,8 Cu O 4 , pero ésta era una composición media para dos fases, una negra y una 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 monofásico [4]
YBCO fue el primer material que se volvió superconductor por encima de 77 K, el punto de ebullición del nitrógeno líquido , mientras que la mayoría de los otros superconductores requieren criógenos más caros. No obstante, YBCO y sus numerosos materiales relacionados aún tienen que desplazar a los superconductores que requieren helio líquido para enfriarse.
El YBCO relativamente puro se sintetizó por primera vez calentando una mezcla de carbonatos metálicos a temperaturas entre 1000 y 1300 K. [5] [6]
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. Sólo aquellos materiales con 0 ≤ x ≤ 0,65 son superconductores por debajo de T c , y cuando x ~ 0,07 , el material superconduce a la temperatura más alta de95 K , [6] o en campos magnéticos más altos:120 T para B perpendicular y250 T para B paralelo a los planos de CuO 2 . [7]
Además de ser sensible a la estequiometría del oxígeno, las propiedades del YBCO están influenciadas por los métodos de cristalización utilizados. Se debe tener cuidado al sinterizar YBCO. YBCO es un material cristalino y las mejores propiedades superconductoras se obtienen cuando los límites de los granos del cristal se alinean mediante un control cuidadoso de las velocidades de temperatura de recocido y enfriamiento .
Se han desarrollado muchos otros métodos para sintetizar YBCO desde su descubrimiento por Wu y sus compañeros de trabajo, como los métodos de deposición química de vapor (CVD), [5] [6] sol-gel , [8] y 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 no deseado carbonato de bario (BaCO 3 ). Rutas como la CSD (deposición de solución química) han abierto una amplia gama de posibilidades, particularmente en la preparación de cintas YBCO largas. [10] Esta ruta reduce la temperatura necesaria para obtener la fase correcta a alrededor de 700 °C (973 K; 1292 °F). Esto, y la falta de dependencia del vacío, hace que este método sea una forma muy prometedora de obtener cintas YBCO escalables.
YBCO cristaliza en una estructura de perovskita defectuosa que consta de capas. El límite de cada capa está definido por planos de unidades de CuO 4 planas cuadradas que comparten 4 vértices. A veces, los aviones pueden estar ligeramente arrugados. [5] Perpendiculares a estos planos de CuO 4 se encuentran cintas de CuO 2 que comparten 2 vértices. Los átomos de itrio se encuentran entre los planos de CuO 4 , mientras que los átomos de bario se encuentran entre las cintas de CuO 2 y los planos de CuO 4 . Esta característica estructural se ilustra en la figura de la derecha.
Aunque YBa 2 Cu 3 O 7 es un compuesto químico bien definido con una estructura y 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 de Cu(1) (como se etiquetan en la celda unitaria) están vacíos y la estructura es tetragonal . La forma tetragonal de YBCO es aislante y no superconductora. Un ligero aumento del contenido de oxígeno hace que se ocupen más sitios O(1). Para x <0,65, se forman cadenas de Cu-O a lo largo del eje b del cristal. El alargamiento del eje b cambia la estructura a ortorrómbica , con parámetros de red de a = 3,82, b = 3,89 y c = 11,68 Å. [12] Las propiedades superconductoras óptimas se producen 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 Cu y Ba [ ¿por qué? ] sitios, la evidencia ha demostrado que la conducción ocurre en los planos de Cu(2)O mientras que las cadenas de Cu(1)O(1) actúan como depósitos de carga, que proporcionan portadores a los planos de 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) limita 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 aún mayor y el transporte entre planos está muy restringido.
Además, las escalas de longitud superconductoras muestran una anisotropía similar, tanto en la profundidad de penetración (λ ab ≈ 150 nm, λ c ≈ 800 nm) como en la 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 a lo largo 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 interrupciones locales de interfaces o defectos del orden de una sola celda unitaria, como el límite entre dominios de cristal hermanados. Esta sensibilidad a pequeños defectos complica la fabricación de dispositivos con YBCO, y el material también es sensible a la degradación por la humedad.
Se han discutido muchas aplicaciones posibles de este y otros materiales superconductores de alta temperatura relacionados. Por ejemplo, los materiales superconductores están encontrando uso como imanes en imágenes de resonancia magnética , levitación magnética y uniones Josephson . (El material más utilizado para cables de alimentación e imanes es BSCCO ). [ cita necesaria ]
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 sobre 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 hacia el superconductor mientras se transfiere la plantilla para texturizar la capa superconductora. Se utilizan variantes novedosas de CVD, PVD y técnicas de deposición de 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 YBCO mediante estos métodos. [ cita necesaria ]
La cinta superconductora puede ser la clave para el diseño de un reactor de fusión tokamak que pueda lograr una producción de energía equilibrada . [15] El YBCO a menudo se clasifica como un óxido de cobre y bario de tierras raras (REBCO). [dieciséis]
La modificación de la superficie de los materiales a menudo ha dado lugar a propiedades nuevas y mejoradas. La inhibición de la corrosión, la adhesión y nucleación de polímeros, la preparación de estructuras de tricapa superconductor/aislante/superconductor orgánico de alta Tc y la fabricación de uniones de túneles de metal/aislante/superconductor se han desarrollado utilizando YBCO de superficie modificada. [17]
Estos materiales en capas moleculares se sintetizan mediante voltamperometría cíclica . Hasta ahora, se han producido YBCO recubiertos 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 de superficie de Cu ácidos de Lewis en YBa 2 Cu 3 O 7 para formar enlaces de coordinación estables .
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 en ese momento, YBCO se ha convertido en un superconductor de alta temperatura popular para uso de aficionados y en educación, ya que el efecto de levitación magnética se puede demostrar fácilmente usando nitrógeno líquido como refrigerante.
En 2021, SuperOx, una empresa rusa y japonesa, desarrolló un nuevo proceso de fabricación para fabricar alambre YBCO para reactores de fusión. Se demostró que este nuevo cable 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 por láser de plasma sobre un sustrato electropulido para fabricar una cinta de 12 mm de ancho y luego cortarla en cinta de 3 mm. [19]
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