Óxido de cobre, calcio, bismuto, estroncio

Óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre (BSCCO, pronunciado bisko), es un tipo de superconductor de cuprato que tiene la fórmula química generalizada Bi₂Sr₂Ca_n−1Cu_nO _2n+4+x, siendo n = 2 el compuesto más comúnmente estudiado (aunque n = 1 y n = 3 también han recibido una atención significativa). Descubierto como clase general en 1988, 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) y la superconductividad tiene lugar en un plano de óxido de cobre. BSCCO e YBCO son los superconductores de cuprato más estudiados.

Por lo general, se hace referencia a tipos específicos de BSCCO utilizando la secuencia de números de los iones metálicos. Por lo tanto, Bi-2201 es el compuesto n = 1 (Bi₂Sr₂CuO_6+x ), Bi-2212 es el compuesto n = 2 (Bi₂Sr₂CaCu₂ O_8+x), y Bi-2223 es el compuesto n = 3 (Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_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 Tl₂Ba₂Ca_n−1Cu_nO_2n+4+x, y una familia de mercurio HBCCO de fórmula HgBa₂Ca_n−1Cu_nO_2n+2+x. Existen otras variantes de estas familias de superconductores. En general, su temperatura crítica a la que se vuelven superconductores aumenta en 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.

Cables y cintas

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 alambre policristalino deben estar en muy buen contacto: deben ser atómicamente suaves. Además, debido a que la superconductividad reside sustancialmente sólo en los planos cobre-oxígeno, los granos deben estar alineados cristalográficamente. Por lo tanto, BSCCO es un buen candidato porque sus granos pueden alinearse mediante procesamiento por fusión o por deformación mecánica. La doble capa de óxido de bismuto está unida sólo débilmente por las fuerzas de Van der Waals. Al igual que el grafito o la mica, la deformación provoca 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 naturalmente tienden a adaptarse a límites de grano de ángulo bajo, de modo que, de hecho, permanecen atómicamente suaves. Así, los cables HTS de primera generación (denominados 1G) se fabrican desde hace muchos años por empresas como American Superconductor Corporation (AMSC) en EE.UU. y Sumitomo en Japón, aunque AMSC ha abandonado el cable BSCCO en favor del cable 2G. basado en YBCO.

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 tubos múltiples en un tubo plateado y nuevamente se extruyen hacia abajo en diámetro, luego se reducen aún más en tamaño y se enrollan en una cinta plana. El último paso asegura la alineación del grano. Luego, las cintas se hacen reaccionar a alta temperatura para formar una cinta conductora multifilamentaria Bi-2223 densa, alineada cristalográficamente, adecuada para enrollar cables o bobinas para transformadores, imanes, motores y generadores. 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 proporciona una densidad de corriente crítica en los filamentos Bi-2223 de 5 kA/mm². Esto aumenta notablemente al disminuir la temperatura, por lo que muchas aplicaciones se implementan a 30-35 K, aunque T_c sea 108 K.

Aplicaciones

Transmisión de energía eléctrica:

• Conductores 1G de cintas multifilamentarias Bi-2223. por ejemplo:
  • Holbrook Superconductor Proyecto

Electroimanes y sus conductores de corriente:

• Pruebas de cintas BSCCO en CERN

Descubrimiento

El BSCCO como nueva clase de superconductor fue descubierto alrededor de 1988 por Hiroshi Maeda y sus colegas del Instituto Nacional de Investigación de Metales de Japón, aunque en ese momento no pudieron determinar su composición y estructura precisas. Casi de inmediato, varios grupos, y en particular Subramanian et al. en Dupont y Cava et al. en AT&T Bell Labs, identificaron Bi-2212. El miembro n = 3 resultó bastante esquivo y no fue identificado hasta aproximadamente un mes después por Tallon et al. en un laboratorio de investigación gubernamental en Nueva Zelanda. Desde entonces sólo ha habido mejoras menores en estos materiales. Un avance clave fue reemplazar aproximadamente el 15% del Bi por Pb, lo que aceleró enormemente la formación y la calidad del Bi-2223.

Propiedades

BSCCO necesita estar dopado con huecos con un exceso de átomos de oxígeno (x en la fórmula) para poder ser superconductor. Como en todos los superconductores de alta temperatura (HTS), la T_c es sensible al nivel exacto de dopaje: la T_{c para Bi-2212 (como para la mayoría de HTS) se logra con un exceso de aproximadamente 0,16 huecos por átomo de Cu. Esto se conoce como dopaje óptimo. Las muestras con menor dopaje (y por lo tanto menor Tc) generalmente se denominan subdopadas, mientras que aquellas con exceso de dopaje (también menor Tc}) están sobredopados. Al cambiar el contenido de oxígeno, la T_c puede modificarse a voluntad. Según muchos criterios, los HTS sobredopados son superconductores fuertes, incluso si su T_c es menos que óptima, pero los HTS subdopados se vuelven extremadamente débiles.

La aplicación de presión externa generalmente aumenta la T_c en muestras poco dopadas a valores que superan con creces el máximo a presión ambiental. Esto no se comprende del todo, aunque un efecto secundario es que la presión aumenta el dopaje. Bi-2223 es complicado porque tiene tres planos distintos de cobre y oxígeno. Las dos capas externas de cobre y oxígeno suelen estar cerca del dopaje óptimo, mientras que la capa interna restante está marcadamente subdopada. Por lo tanto, la aplicación de presión en Bi-2223 da como resultado que T_c aumente a un máximo de aproximadamente 123 K debido a la optimización de los dos planos exteriores. Tras un descenso prolongado, T_c vuelve a subir hacia 140 K debido a la optimización del plano interior. Por lo tanto, un desafío clave es determinar cómo optimizar todas las capas de cobre y oxígeno simultáneamente.

BSCCO es un superconductor de tipo II. El campo crítico superior H_c2 en muestras policristalinas de Bi-2212 a 4,2 K se ha medido como 200 ± 25 T (cf. 168 ± 26 T para muestras policristalinas de YBCO). En la práctica, los HTS están limitados por el campo de irreversibilidad H*, por encima del cual los vórtices magnéticos se funden o se desacoplan. Aunque BSCCO tiene un campo crítico superior más alto que YBCO, tiene un H* mucho más bajo (normalmente más pequeño en un factor de 100), lo que limita su uso para fabricar imanes de alto campo. Es por esta razón que se prefieren los conductores de YBCO a los de BSCCO, aunque son mucho más difíciles de fabricar.