Diboruro de magnesio

Diboruro de magnesio es el compuesto inorgánico de fórmula MgB₂. Es un sólido insoluble en agua de color gris oscuro. El compuesto ha llamado la atención porque se vuelve superconductor a 39 K (-234 °C). En cuanto a su composición, el MgB₂ se diferencia notablemente de la mayoría de los superconductores de baja temperatura, que se componen principalmente de metales de transición. Su mecanismo superconductor se describe principalmente mediante la teoría BCS.

Superconductividad

Las propiedades superconductoras del diboruro de magnesio se descubrieron en 2001. Su temperatura crítica (T_c) de 39 K (−234 °C; −389 °F)) es el más alto entre los superconductores convencionales. Entre los superconductores convencionales (mediados por fonones), esto es inusual. Su estructura electrónica es tal que existen dos tipos de electrones en el nivel de Fermi con comportamientos muy diferentes, siendo uno de ellos (enlace sigma) mucho más fuertemente superconductor que el otro (enlace pi). Esto está en desacuerdo con las teorías habituales de la superconductividad mediada por fonones, que suponen que todos los electrones se comportan de la misma manera. La comprensión teórica de las propiedades del MgB₂ casi se ha logrado modelando dos brechas de energía. En 2001 se consideró que se comportaba más como un superconductor metálico que como un superconductor de cuprato.

Estado semi-Meissner

Utilizando la teoría BCS y las conocidas brechas de energía de las bandas de electrones pi y sigma (2,2 y 7,1 meV, respectivamente), se ha descubierto que las bandas de electrones pi y sigma tienen dos longitudes de coherencia diferentes (51 nm y 13 nm, respectivamente). Las correspondientes profundidades de penetración de Londres 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 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 otra indicaría superconductividad de tipo II, entonces, en ciertos casos, los vórtices se atraen a largas distancias. y repeler a distancias cortas. En particular, la energía potencial entre vórtices se minimiza a una distancia crítica. Como consecuencia se conjetura una nueva fase llamada estado semi-Meissner, en la 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 separa estos dominios.

La confirmación experimental de esta conjetura ha llegado recientemente en experimentos con MgB₂ a 4,2 Kelvin. Los autores descubrieron que, efectivamente, existen regímenes con una densidad de vórtices mucho mayor. Mientras que la variación típica en el espaciado 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 ensamblan en dominios donde pueden estar separados por la distancia crítica. Para este estado se acuñó el término superconductividad tipo 1,5.

Síntesis

El diboruro de magnesio se sintetizó y su estructura se confirmó en 1953. La síntesis más simple implica una reacción a alta temperatura entre polvos de boro y magnesio. 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 la creación de túneles cuánticos de Josephson entre granos.

El alambre de diboruro de magnesio superconductor se puede producir mediante los procesos de polvo en tubo (PIT) ex situ e in situ. 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 MgB₂. En la variante ex situ, el tubo se llena con polvo de MgB₂, de diámetro reducido y sinterizado a entre 800 y 1000 °C. En ambos casos, el posterior prensado isostático en caliente a aproximadamente 950 °C mejora aún más las propiedades.

Una técnica alternativa, divulgada en 2003, emplea la infiltración líquida reactiva de magnesio dentro de una preforma granular de polvos de boro y se denominó técnica Mg-RLI. El método permitió la fabricación de materiales a granel de alta densidad (más del 90% de la densidad teórica para MgB₂) y fibras huecas especiales. Este método es equivalente a métodos similares basados en el crecimiento en estado fundido, como el método de procesamiento de infiltración y crecimiento utilizado para fabricar superconductores YBCO a granel, donde el Y₂BaCuO₅ no superconductor se utiliza como preforma granular en cuyo interior se infiltran fases líquidas a base de YBCO para producir YBCO a granel superconductor. Este método ha sido copiado y adaptado para MgB₂ y rebautizado como Infiltración líquida de magnesio reactivo. El proceso de Infiltración Líquida de Mg Reactivo en una preforma de boro para obtener MgB₂ ha sido objeto de solicitudes de patente por parte de la empresa italiana Edison S.p.A.

La deposición híbrida de vapor físico-químico (HPCVD) ha sido la técnica más eficaz para depositar películas delgadas de diboruro de magnesio (MgB₂). Las superficies de las películas de MgB₂ depositadas mediante otras tecnologías suelen ser rugosas y no estequiométricas. Por el contrario, el sistema HPCVD puede producir películas in situ puras de MgB₂ de alta calidad con superficies lisas, necesarias para crear uniones Josephson uniformes y reproducibles, el elemento fundamental de la superconducción. circuitos.

Propiedades electromagnéticas

Las propiedades dependen en gran medida de la composición y el proceso de fabricación. Muchas propiedades son anisotrópicas debido a la estructura en capas. 'Sucio' Las muestras, por ejemplo, con óxidos en los límites del cristal, son diferentes de las muestras 'limpias' muestras.

• La temperatura de transición superconductora más alta T_c es de 39 K.
• MgB₂ es un superconductor tipo II, es decir, el aumento del campo magnético penetra gradualmente en él.
• Corriente máxima crítica (J_c) es: 10⁵ A/m² 20 T, 10⁶ A/m² a las 18 T, 10⁷ A/m² 15 T, 10⁸ A/m² 10 T, 10⁹ A/m² a las 5 T.
• A partir de 2008: Campo crítico superior (H)_c2(paralela a ab plano) es ~14 T, (perpendicular a ab planos) ~3 T, en películas delgadas hasta 74 T, en fibras hasta 55 T.

Mejora mediante dopaje

Varios medios de dopar MgB₂ con carbono (por ejemplo, usando un 10 % de ácido málico) pueden mejorar el campo crítico superior y la densidad de corriente máxima. (también con acetato de polivinilo).

un 5 % de dopaje con carbono puede aumentar el H_c2 de 16 a 36 T, mientras que reduce el T_c sólo de 39 K a 34 K. La corriente crítica máxima (J_c) se reduce, pero el dopaje con TiB₂ puede reducir la disminución. (El dopaje MgB₂ con Ti está patentado).

La corriente crítica máxima (J_c) en el campo magnético aumenta enormemente (aproximadamente el doble a 4,2 K) mediante el dopaje con ZrB₂.

Incluso pequeñas cantidades de dopaje llevan a ambas bandas al régimen de tipo II y, por lo tanto, no se puede esperar un estado semi-Meissner.

Conductividad térmica

MgB₂ es un superconductor multibanda, es decir, cada superficie de Fermi tiene una brecha de energía superconductora diferente. Para MgB₂, el enlace sigma del boro es fuerte e induce una gran brecha superconductora de onda s, y el enlace pi es débil e induce una pequeña brecha de onda s. Los estados de cuasipartículas de los vórtices de gran brecha están muy confinados al núcleo del vórtice. Por otro lado, los estados de cuasipartículas de pequeñas brechas están débilmente ligados al núcleo del vórtice. Por tanto, pueden deslocalizarse y superponerse fácilmente entre vórtices adyacentes. Esta deslocalización puede contribuir en gran medida a la conductividad térmica, que muestra un aumento abrupto por encima de H_c1.

Posibles aplicaciones

Superconductores

Las propiedades superconductoras y el bajo costo hacen que el diboruro de magnesio sea atractivo para una variedad de aplicaciones. Para esas aplicaciones, el polvo de MgB₂ se comprime con metal plateado (o acero inoxidable 316) en alambre y, a veces, cinta adhesiva mediante el proceso de polvo en tubo.

En 2006, se construyó un sistema magnético superconductor de resonancia magnética abierto de 0,5 tesla utilizando 18 km de cables de MgB₂. Esta resonancia magnética utilizó un crioenfriador de circuito cerrado, sin necesidad de líquidos criogénicos suministrados externamente para el enfriamiento.

"...los instrumentos de resonancia magnética de próxima generación deben estar fabricados con bobinas de MgB₂ en lugar de bobinas de NbTi, y funcionar en el rango de 20 a 25 K sin helio líquido para enfriar.... 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."

Un proyecto del CERN para fabricar cables de MgB₂ 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.

El diseño del tokamak IGNITOR se basó en MgB₂ para sus bobinas poloidales.

Se pueden utilizar recubrimientos finos en cavidades de radiofrecuencia superconductoras para minimizar la pérdida de energía y reducir la ineficiencia de las cavidades de niobio enfriadas 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 cables de corriente.

Propulsores, explosivos, pirotecnia

A diferencia del boro elemental, cuya combustión es incompleta debido a 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. Por tanto, se ha propuesto el boruro de magnesio como combustible en reactores de ariete. Además, por las mismas razones se ha propuesto el uso de MgB₂ en explosivos y propulsores potenciados por explosiones. Más recientemente, se pudo demostrar que las bengalas señuelo que contienen diboruro de magnesio/teflón/vitón muestran un aumento de eficiencia espectral de entre un 30% y un 60%, E_λ (J g⁻¹sr ⁻¹), en comparación con las cargas útiles clásicas de magnesio/teflón/vitón (MTV). También se ha investigado una aplicación del diboruro de magnesio a la propulsión de cohetes híbridos, mezclando el compuesto en granos de combustible de cera de parafina para mejorar las propiedades mecánicas y las características de combustión.