Supercondutor cuprato - Cuprate superconductor

Os supercondutores de cuprato são uma família de materiais supercondutores de alta temperatura feitos de camadas de óxidos de cobre (CuO 2 ) alternadas com camadas de outros óxidos de metal, que atuam como reservatórios de carga. À pressão ambiente, os supercondutores de cuprato são os supercondutores de temperatura mais alta conhecidos. No entanto, o mecanismo pelo qual a supercondutividade ocorre ainda não é conhecido .

História

Linha do tempo do supercondutor. Os cupratos são exibidos como diamantes azuis, diboreto de magnésio e outros supercondutores BCS são exibidos como círculos verdes e os supercondutores à base de ferro como quadrados amarelos. Os cupratos são atualmente os supercondutores de temperatura mais alta, adequados para fios e ímãs.

O primeiro supercondutor de cuprato foi descoberto em 1986 no óxido de cobre de bário e lantânio cuprato não estequiométrico pelos pesquisadores da IBM Bednorz e Müller. A temperatura crítica para este material era de 35 K, bem acima do recorde anterior de 23 K. A descoberta levou a um aumento acentuado na pesquisa sobre os cupratos, resultando em milhares de publicações entre 1986 e 2001. Bednorz e Müller receberam o Prêmio Nobel em Física em 1987, apenas um ano após sua descoberta.

A partir de 1986, muitos supercondutores de cuprato foram identificados e podem ser colocados em três grupos em um diagrama de fase: temperatura crítica vs. conteúdo do orifício de oxigênio e conteúdo do orifício de cobre:

Estrutura

A célula unitária do supercondutor de cuprato de alta temperatura BSCCO-2212

Cupratos são materiais em camadas, consistindo de planos supercondutores de óxido de cobre , separados por camadas contendo íons como lantânio , bário , estrôncio , que agem como um reservatório de carga, dopando elétrons ou buracos nos planos de óxido de cobre. Assim, a estrutura é descrita como uma superrede de camadas supercondutoras de CuO 2 separadas por camadas espaçadoras, resultando em uma estrutura muitas vezes intimamente relacionada à estrutura da perovskita . A supercondutividade ocorre dentro das folhas de óxido de cobre (CuO 2 ), com apenas um acoplamento fraco entre os planos de CuO 2 adjacentes , tornando as propriedades próximas às de um material bidimensional. As correntes elétricas fluem dentro das folhas de CuO 2 , resultando em uma grande anisotropia nas propriedades normais de condução e supercondutora, com uma condutividade muito maior paralela ao plano de CuO 2 do que na direção perpendicular.

As temperaturas supercondutoras críticas dependem das composições químicas, substituições de cátions e conteúdo de oxigênio. As fórmulas químicas de materiais supercondutores geralmente contêm números fracionários para descrever o doping necessário para a supercondutividade. Existem várias famílias de supercondutores de cuprato que podem ser categorizadas pelos elementos que contêm e pelo número de camadas de óxido de cobre adjacentes em cada bloco supercondutor. Por exemplo, YBCO e BSCCO podem ser alternativamente referidos como Y123 e Bi2201 / Bi2212 / Bi2223, dependendo do número de camadas em cada bloco supercondutor ( n ). A temperatura de transição supercondutora atingiu o pico em um valor de dopagem ideal ( p = 0,16) e um número ideal de camadas em cada bloco supercondutor, normalmente n = 3.

Os compostos "pais" ou "mãe" não dopados são isolantes de Mott com ordem antiferromagnética de longo alcance em temperaturas suficientemente baixas. Modelos de banda única são geralmente considerados suficientes para descrever as propriedades eletrônicas.

Os supercondutores de cuprato geralmente apresentam óxidos de cobre nos estados de oxidação 3+ e 2+. Por exemplo, YBa 2 Cu 3 O 7 é descrito como Y 3+ (Ba 2+ ) 2 (Cu 3+ ) (Cu 2+ ) 2 (O 2− ) 7 . Os íons de cobre 2+ e 3+ tendem a se organizar em um padrão quadriculado, um fenômeno conhecido como ordenação de carga . Todos os cupratos supercondutores são materiais em camadas com uma estrutura complexa descrita como uma superrede de camadas supercondutoras de CuO 2 separadas por camadas espaçadoras, onde a deformação inadequada entre diferentes camadas e dopantes nos espaçadores induzem uma heterogeneidade complexa que no cenário das supertripes é intrínseca para alta supercondutividade de temperatura.

Mecanismo Supercondutor

A supercondutividade nos cupratos é considerada não convencional e não é explicada pela teoria BCS . Os possíveis mecanismos de emparelhamento para a supercondutividade do cuprato continuam a ser o assunto de consideráveis ​​debates e pesquisas adicionais. Semelhanças entre o estado antiferromagnético de baixa temperatura em materiais não dopados e o estado supercondutor de baixa temperatura que surge após dopagem, principalmente o estado orbital d x 2 -y 2 dos íons Cu 2+ , sugerem que em cupratos as interações elétron-elétron são mais significativas do que as interações elétron-fônon convencionais. Trabalhos recentes na superfície de Fermi mostraram que o aninhamento ocorre em quatro pontos na zona antiferromagnética de Brillouin onde existem ondas de spin e que a lacuna de energia supercondutora é maior nesses pontos. Os efeitos de isótopos fracos observados para a maioria dos cupratos contrastam com os supercondutores convencionais que são bem descritos pela teoria BCS.

Formulários

Os supercondutores BSCCO já têm aplicações em larga escala. Por exemplo, dezenas de quilômetros de BSCCO-2223 em fios supercondutores de 77 K estão sendo usados ​​nos cabos de corrente do Grande Colisor de Hádrons no CERN . (mas as bobinas do campo principal estão usando supercondutores metálicos de baixa temperatura, principalmente à base de nióbio-estanho ).

Veja também

Bibliografia

Referências