Óxido de itrio, bario y cobre

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) a aproximadamente 93 K (-180,2 °C; -292,3 °F).

Muchos compuestos YBCO tienen la fórmula general YBa₂Cu₃O_7−x (también conocido como Y123), aunque existen materiales con otras relaciones Y:Ba:Cu, como YBa₂Cu₄O_y (Y124) o Y₂Ba₄Cu₇O_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.

Historia

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 vuelve superconductor a 35 K. Este óxido era un oxígeno. -material deficiente relacionado con la perovskita 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 (T _c) de 93 K. Las primeras muestras fueron Y_1.2Ba_0.8CuO₄, pero este fue un promedio Composición para dos fases, una negra y otra verde. Los trabajadores de la Carnegie Institution de Washington descubrieron que la fase negra (que resultó ser el superconductor) tenía la composición YBa₂Cu₃O_7−δ.

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 demás 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.

Síntesis

El YBCO relativamente puro se sintetizó por primera vez calentando una mezcla de carbonatos metálicos a temperaturas entre 1000 y 1300 K.

4 BaCO₃ + Y₂(CO₃)₃ + 6 CuCO₃ + (1/2−xO₂ → 2 YBa₂Cu₃O_{7 -x} + 13 CO₂

Las síntesis modernas de YBCO utilizan los óxidos y nitratos correspondientes.

Las propiedades superconductoras de YBa₂Cu₃O_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 El material se superconduce a la temperatura más alta de 95 K, o en campos magnéticos más altos: 120 T para B perpendicular y 250 T para B paralelo al CuO₂planos.

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 parte de Wu y sus colaboradores, como la deposición química de vapor (CVD), los métodos sol-gel y aerosol. 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 (BaCO₃). Rutas como la CSD (deposición de solución química) han abierto una amplia gama de posibilidades, particularmente en la preparación de cintas YBCO largas. Esta ruta baja la temperatura necesaria para conseguir la fase correcta hasta unos 700 °C. Esto, y la falta de dependencia del vacío, hace que este método sea una forma muy prometedora de obtener cintas YBCO escalables.

Estructura

YBCO cristaliza en una estructura de perovskita defectuosa que consta de capas. El límite de cada capa está definido por planos de unidades planas cuadradas de CuO₄ que comparten 4 vértices. A veces, los aviones pueden estar ligeramente arrugados. Perpendiculares a estos planos de CuO₄ hay cintas de CuO₂ que comparten 2 vértices. Los átomos de itrio se encuentran entre los planos de CuO₄, mientras que los átomos de bario se encuentran entre las cintas de CuO₂ y los planos de CuO₄. Esta característica estructural se ilustra en la figura de la derecha.

Geometría de coordinación de centros metálicos en YBCO

cúbico8}	#10}	plano cuadrado {CuO4}	pirámide cuadrada {CuO5}	YBa2Cu3O7-δ δ {displaystyle delta } célula

# Puckered Cu avión	Cu cintas

Aunque YBa₂Cu₃O₇ es un compuesto químico bien definido con una estructura y estequiometría específicas, los materiales con menos de siete Los 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 YBa₂Cu₃O_7−x. Cuando x = 1, los sitios O(1) en la capa de Cu(1) 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. 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 en los que se sustituyen otros elementos en los sitios de Cu y Ba, la evidencia ha demostrado que la conducción se produce 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). Esto (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 como 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.

Solicitudes propuestas

Se han discutido muchas aplicaciones posibles de este y otros materiales superconductores de alta temperatura relacionados. Por ejemplo, los materiales superconductores se están utilizando como imanes en imágenes por resonancia magnética, levitación magnética y uniones Josephson. (El material más utilizado para cables de alimentación e imanes es BSCCO).

YBCO aún no se ha utilizado en muchas aplicaciones que involucran superconductores por dos razones principales:

• En primer lugar, aunque los cristales individuales de YBCO tienen una densidad de corriente crítica muy alta, los policristales tienen una densidad de corriente crítica muy baja: sólo una pequeña corriente se puede pasar manteniendo la superconductividad. Este problema se debe a los límites de grano de cristal en el material. Cuando el ángulo del límite de grano es mayor que unos 5°, la supercurrente no puede cruzar el límite. El problema del límite de granos se puede controlar en cierta medida mediante la preparación de películas delgadas a través de CVD o mediante el texto del material para alinear los límites del grano.
• Un segundo problema que limita el uso de este material en aplicaciones tecnológicas se asocia con el procesamiento del material. Materiales de óxido como este son frágiles, y formarlos en cables superconductores por cualquier proceso convencional no produce un superconductor útil. (A diferencia de BSCCO, el proceso de polvo en tubo no da buenos resultados con YBCO).

El método más prometedor desarrollado para utilizar este material implica la deposición de YBCO en 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.

La cinta superconductora puede ser la clave para el diseño de un reactor de fusión tokamak que pueda lograr una producción de energía equilibrada. El YBCO a menudo se clasifica como óxido de cobre y bario de tierras raras (REBCO).

Modificación de superficie

La modificación de la superficie de los materiales a menudo ha dado lugar a propiedades nuevas y mejoradas. Se han estudiado la inhibición de la corrosión, la adhesión y nucleación de polímeros, la preparación de estructuras de tres capas superconductoras/aislantes/superconductoras orgánicas de alta T_c y la fabricación de uniones de túneles de metal/aislante/superconductor. desarrollado utilizando YBCO modificado en superficie.

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 la superficie ácida de Cu de Lewis en YBa₂Cu₃O₇ para formar una coordinación estable. cautiverio.

Producción en masa

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. 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 utilizando 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 unirla en una cinta de 3 mm.