Óxido de cobre, cálcio, estrôncio, bismuto - Bismuth strontium calcium copper oxide
Óxido de cobre e bismuto estrôncio e cálcio ( BSCCO , pronuncia-se bisko ), é um tipo de supercondutor cuprato com a fórmula química generalizada Bi 2 Sr 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +4+ x , com n = 2 sendo o mais comumente estudado composto (embora n = 1 e n = 3 também tenham recebido atenção significativa). Descoberto como uma classe geral em 1988, o BSCCO foi o primeiro supercondutor de alta temperatura que não continha um elemento de terra rara .
É um supercondutor cuprato , uma categoria importante de supercondutores de alta temperatura que compartilham uma estrutura bidimensional em camadas ( perovskita ) (veja a figura à direita) com a supercondutividade ocorrendo em um plano de óxido de cobre. BSCCO e YBCO são os supercondutores de cuprato mais estudados.
Tipos específicos de BSCCO são geralmente referidos usando a sequência dos números dos íons metálicos. Assim, Bi-2201 é o composto n = 1 ( Bi 2 Sr 2 Cu O 6+ x ), Bi-2212 é o composto n = 2 ( Bi 2 Sr 2 Ca Cu 2 O 8+ x ), e Bi-2223 é o composto n = 3 ( Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+ x ).
A família BSCCO é análoga a uma família de supercondutores de alta temperatura de tálio denominada TBCCO e tendo a fórmula geral Tl 2 Ba 2 Ca n −1 Cu n O 2 n +4+ x , e uma família de mercúrio HBCCO de fórmula Hg Ba 2 Ca n −1 Cu n O 2 n +2+ x . Existem várias outras variantes dessas famílias supercondutoras. Em geral, sua temperatura crítica na qual eles se tornam supercondutores aumenta para os primeiros membros e depois diminui. Assim, Bi-2201 tem T c ≈ 33 K, Bi-2212 tem T c ≈ 96 K, Bi-2223 tem T c ≈ 108 K e Bi-2234 tem T c ≈ 104 K. Este último membro é muito difícil de sintetizar .
Fios e fitas
BSCCO foi o primeiro material HTS a ser usado para fazer fios supercondutores práticos. Todos os HTS têm um comprimento de coerência extremamente curto , da ordem de 1,6 nm. Isso significa que os grãos em um fio policristalino devem estar em contato extremamente bom - eles devem ser atomicamente lisos. Além disso, como a supercondutividade reside substancialmente apenas nos planos cobre-oxigênio, os grãos devem ser alinhados cristalograficamente. O BSCCO é, portanto, um bom candidato porque seus grãos podem ser alinhados por processamento de fusão ou por deformação mecânica. A camada dupla de óxido de bismuto é apenas fracamente ligada pelas forças de van der Waals. Assim como o grafite ou a mica , a deformação causa deslizamento nesses planos BiO e os grãos tendem a se deformar em placas alinhadas. Além disso, como o BSCCO tem n = 1, 2 e 3 membros, eles naturalmente tendem a acomodar limites de grão de baixo ângulo, de modo que, de fato, permanecem atomicamente lisos. Assim, os fios HTS de primeira geração (referidos como 1G) têm sido fabricados há muitos anos por empresas como American Superconductor Corporation (AMSC) nos EUA e Sumitomo no Japão, embora a AMSC tenha agora abandonado o fio BSCCO em favor do fio 2G em YBCO.
Normalmente, os pós precursores são embalados em um tubo de prata, que é então extrudado em diâmetro. Estes são então reembalados como tubos múltiplos em um tubo de prata e novamente extrudados em diâmetro, então puxados ainda mais em tamanho e enrolados em uma fita plana. A última etapa garante o alinhamento do grão. As fitas são então reagidas em alta temperatura para formar uma fita condutora multifilamentar Bi-2223, densa e cristalograficamente alinhada, adequada para enrolar cabos ou bobinas para transformadores, ímãs, motores e geradores. Fitas típicas de 4 mm de largura e 0,2 mm de espessura suportam uma corrente de 200 A a 77 K, dando uma densidade de corrente crítica nos filamentos Bi-2223 de 5 kA / mm 2 . Isso aumenta acentuadamente com a diminuição da temperatura, de modo que muitas aplicações são implementadas em 30–35 K, embora T c seja 108 K.
Formulários
Transmissão de energia elétrica:
- Condutores 1G feitos de fitas multifilamentares Bi-2223. por exemplo. :
Eletroímãs e seus terminais de corrente:
- Testando fitas BSCCO no CERN
Descoberta
O BSCCO como uma nova classe de supercondutor foi descoberto por volta de 1988 por Hiroshi Maeda e colegas do Instituto Nacional de Pesquisa de Metais do Japão, embora na época eles não fossem capazes de determinar sua composição e estrutura precisas. Quase imediatamente vários grupos, e mais notavelmente Subramanian et al. em Dupont e Cava et al. na AT&T Bell Labs, identificou Bi-2212. O membro n = 3 provou ser bastante evasivo e não foi identificado até um mês ou mais depois por Tallon et al. em um laboratório de pesquisa do governo na Nova Zelândia. Houve apenas pequenas melhorias nesses materiais desde então. Um desenvolvimento inicial importante foi substituir cerca de 15% do Bi por Pb, o que acelerou muito a formação e a qualidade do Bi-2223.
Propriedades
O BSCCO precisa ser dopado por buraco por um excesso de átomos de oxigênio ( x na fórmula) para se superconduzir. Como em todos os supercondutores de alta temperatura (HTS), o T c é sensível ao nível exato de dopagem: o T c máximo para Bi-2212 (como para a maioria dos HTS) é alcançado com um excesso de cerca de 0,16 buracos por átomo de Cu. Isso é conhecido como doping ideal. Amostras com menor dopagem (e, portanto, menor T c ) são geralmente referidas como subdopagem, enquanto aquelas com excesso de dopagem (também menor T c ) são superdopadas. Ao alterar o conteúdo de oxigênio, o T c pode ser alterado à vontade. Por muitas medidas, os HTS superdopados são supercondutores fortes, mesmo se seu T c for inferior ao ideal, mas os HTS subdopados tornam-se extremamente fracos.
A aplicação de pressão externa geralmente aumenta o T c em amostras subdopadas para valores que excedem bem o máximo à pressão ambiente. Isso não é totalmente compreendido, embora um efeito secundário seja que a pressão aumenta o doping. Bi-2223 é complicado por ter três planos distintos de cobre-oxigênio. As duas camadas externas de cobre-oxigênio estão tipicamente próximas do dopagem ideal, enquanto a camada interna restante é marcadamente subdopada. Assim, a aplicação de pressão em Bi-2223 resulta em T c subindo para um máximo de cerca de 123 K devido à otimização dos dois planos externos. Após um declínio prolongado, T c então sobe novamente para 140 K devido à otimização do plano interno. Um desafio chave, portanto, é determinar como otimizar todas as camadas de cobre-oxigênio simultaneamente.
BSCCO é um supercondutor Tipo II . O campo crítico superior H c2 em amostras policristalinas Bi-2212 a 4,2 K foi medido como 200 ± 25 T (cf 168 ± 26 T para amostras policristalinas YBCO). Na prática, os HTS são limitados pelo campo de irreversibilidade H *, acima do qual os vórtices magnéticos se fundem ou se desacoplam. Mesmo que BSCCO tenha um campo crítico superior mais alto do que YBCO, ele tem um H * muito mais baixo (normalmente menor por um fator de 100), limitando assim seu uso para fazer ímãs de alto campo. É por esta razão que os condutores de YBCO são preferidos a BSCCO, embora sejam muito mais difíceis de fabricar.
Potencial para chips lógicos supercondutores
Para fazer chips supercondutores, foi sugerido que, devido aos avanços na tecnologia do laser azul, notavelmente 445, 450 e 405 nm de diodos de modo único, pode ser possível deslocar seletivamente os átomos de Sr em Bi-2223 para formar preferencialmente materiais de alto Tc projetados para chips de computador . Nesse caso, a configuração para fazê-los em massa pode ser muito simples, como uma superfície de pelota isolante Mott modificada com BSCCO via MOCVD e, em seguida, recozida a laser sob oxigênio em um conjunto muito específico de campos eletrostáticos, temperaturas e comprimentos de onda sequencialmente, com a polarização alinhada para os limites do grão. Se a variante 2223 for usada, então Tc pode aumentar substancialmente e, assim, tornar o material adequado para um sensor quântico , SQUID e outras aplicações que precisam desses parâmetros. Essa ideia foi sugerida no Twitter e um artigo está sendo compilado com mais informações para lançamento por volta do 3T 2018 e mais discussões em 4HV.org. A ideia original foi inspirada no átomo de estrôncio brilhante único colocado entre placas eletrostáticas no vácuo que, aliás, rendeu um prêmio ao aluno de doutorado responsável.