Superconduttività ad alte temperature

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Un campione di BSSCO, che attualmente è uno dei superconduttori ad alta temperatura più adatti all'uso pratico. In particolare, non contiene terre rare. BSSCO è un superconduttore cuprato basato su bismuto e stronzio. Grazie alla loro temperatura operativa più elevata, i cuprati stanno diventando concorrenti per i più comuni superconduttori a base di niobio, nonché per i superconduttori ad ossido di magnesio.

I superconduttori ad alta temperatura (abbreviato in inglese HTS, acronimo di High Temperature Superconductivity) sono materiali che si comportano come superconduttori a temperature superiori a circa 77 K (−196,2 °C), a differenza dei superconduttori ordinari che, a pressioni ordinarie, richiedono temperature inferiori[1]. 77 K è la temperatura più bassa raggiungibile con l'azoto liquido[2], uno dei refrigeranti più utilizzati nell'ambito della criogenia[3], e quindi tali materiali necessitano una tecnologia di raffreddamento meno costosa di quelli ordinari. Nessun superconduttore ad alta temperatura noto funziona a temperatura e pressione ambiente e quindi tutti richiedono un sistema di raffreddamento.

La maggior parte dei superconduttori ad alta temperatura si presentano come materiali ceramici, a differenza dei superconduttori ordinari, i primi scoperti, che sono metallici.I superconduttori ceramici stanno diventando adatti ad un uso pratico, ma hanno ancora molti problemi di fabbricazione e ci sono pochissimi casi di impiego con successo. La maggior parte delle ceramiche sono fragili, il che ne rende molto problematica la trasformazione in fili.[4]

Dal punto di vista dei costituenti, il tipo principale di superconduttori ad alta temperatura è costituita da alcuni ossidi di rame. Un secondo tipo è costituito da composti a base di ferro.[5][6] Il diboruro di magnesio è talvolta incluso nei superconduttori ad alta temperatura ed è relativamente semplice da fabbricare ma diventa superconduttore solo sotto i 43 K (−230,2 °C), il che lo rende inadatto al raffreddamento con azoto liquido, richiedendo, ad esempio, elio liquido, che funziona a temperature molto più basse.

Molti superconduttori ceramici si comportano fisicamente come superconduttori del secondo tipo.

Il primo superconduttore ad alta temperatura è stato scoperto nel 1986 dai ricercatori IBM Bednorz e Müller,[2][7] che nel 1987 hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica "per la loro importante svolta nella scoperta della superconduttività nei materiali ceramici".[8]

La superconduttività ad alte temperature (−23 °C) è stata osservata nel 2019 anche in composti gassosi a base di idrogeno, come LaH10, un super-idruro del Lantanio, ma in condizioni di pressione elevatissima, superiori a 100 GPa[9].

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Cronologia delle scoperte dei superconduttori. Sulla destra si può vedere la temperatura dell'azoto liquido, che di solito divide i superconduttori ad alte temperature da quelli a basse temperature. I cuprati sono visualizzati come diamanti blu e i superconduttori a base di ferro come quadrati gialli. L'ossido di magnesio e altri superconduttori BCS (metallici) a bassa temperatura sono visualizzati come riferimento in cerchi verdi.

La superconduttività fu scoperta da Kamerlingh Onnes nel 1911, in un solido metallico. Da allora, i ricercatori hanno tentato di osservare la superconduttività a temperature crescenti con l'obiettivo di trovare un superconduttore a temperatura ambiente.[10] Alla fine degli anni '70, la superconduttività fu osservata in diversi composti metallici (in particolare a base di Nb, come NbTi, Nb3Sn e Nb3Ge) a temperature molto più elevate di quelle dei metalli elementari e che potevano addirittura superare i 20 K (−253,2 °C). Nel 1986, presso il laboratorio di ricerca IBM vicino a Zurigo, in Svizzera, Bednorz e Müller cercarono la superconduttività in una nuova classe di ceramiche: gli ossidi di rame o cuprati. Bednorz scoprì un particolare ossido di rame la cui resistenza scese a zero a una temperatura intorno a −238 °C (35,1 K). I loro risultati furono presto confermati[11] da molti gruppi, in particolare Paul Chu all'università di Houston e Shoji Tanaka all'università imperiale di Tokyo.[12]

Poco dopo, all'università di Princeton, Anderson diede la prima descrizione teorica di questi materiali, basata sulla teoria del legame di valenza risonante,[13] ma una piena comprensione di questi materiali è ancora in via di sviluppo oggi. Quel che sembra chiaro è che in questi materiali entrano in gioco particolari simmetrie d'onda per gli elettroni. La prima proposta secondo cui la superconduttività ad alta temperatura nei cuprati comporti l'associazione con onde d è stata fatta nel 1987 da Bickers, Scalapino e Scalettar,[14] seguita da tre successive teorie nel 1988 da Inui, Doniach, Hirschfeld e Ruckenstein,[15] usando la teoria della flutuazione dello spin, e da Gros, Poilblanc, Rice e Zhang,[16] e da Kotliar e Liu identificando l'associazione delle onde d come conseguenza naturale della teoria RVB.[17] La conferma del fatto che le onde d fossero alla base dei superconduttori a cuprati è stata fatta da una varietà di esperimenti, tra cui l'osservazione diretta dei nodi di tali onde nello spettro di eccitazione attraverso la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolto, l'osservazione di un flusso di mezzo intero nel tunneling esperimenti, e indirettamente dalla dipendenza dalla temperatura della profondità di penetrazione, calore specifico e conducibilità termica.

Il superconduttore a pressione ambiente con la più alta temperatura di transizione è il cuprato di mercurio, bario e calcio, a circa 133 K.[18]

L'origine della superconduttività ad alta temperatura non è ancora chiara, ma sembra che invece di meccanismi di attrazione elettrofononica, come nella superconduttività convenzionale, ci si trovi di fronte a meccanismi elettronici autentici (ad esempio da correlazioni antiferromagnetiche) e invece di convenzionali, puramente s -associazione di onde, si pensa che siano coinvolte simmetrie di accoppiamento più esotiche ( d -onda nel caso dei cuprati; principalmente s- onda estesa, ma occasionalmente d- onda, nel caso dei superconduttori a base di ferro). Nel 2014, gli scienziati dell'EPFL[19] dimostrato che le particelle frazionarie possono accadere in materiali magnetici quasi bidimensionali fornendo supporto alla teoria di Anderson sulla superconduttività ad alta temperatura.[20]

Proprietà[modifica | modifica wikitesto]

Una sostanza con una temperatura critica al di sopra del punto di ebollizione dell'azoto liquido, insieme a un campo magnetico critico elevato e una densità di corrente critica (al di sopra della quale viene superata la superconduttività), apporterebbero grandi benefici alle applicazioni tecnologiche. Nelle applicazioni con magneti, il campo magnetico ad alta criticità può rivelarsi più prezioso dell'alto T c stesso. Alcuni cuprati hanno un campo critico superiore di circa 100 tesla. Tuttavia, i materiali cuprati sono ceramiche fragili che sono costose da fabbricare e non facilmente trasformabili in fili o altre forme utili. Inoltre, i superconduttori ad alta temperatura non formano domini superconduttori ampi e continui, piuttosto gruppi di microdomini all'interno dei quali si verifica la superconduttività. Non sono quindi adatti per applicazioni che richiedono correnti superconduttive, come i magneti per spettrometri a risonanza magnetica.[21] Per una soluzione a questo (polveri), vedere HTS_wire.

Vi è stato un considerevole dibattito in merito alla superconduttività ad alta temperatura che coesiste con l'ordinamento magnetico in YBCO,[22] superconduttori a base di ferro, numerosi cuprati di ruteno e altri superconduttori esotici, e la ricerca continua per altre famiglie di materiali. Gli HTS sono superconduttori di tipo II, che consentono ai campi magnetici di penetrare al loro interno in unità di flusso quantizzate, il che significa che sono necessari campi magnetici molto più elevati per sopprimere la superconduttività. La struttura a strati dà anche una dipendenza direzionale alla risposta del campo magnetico.

Cuprati[modifica | modifica wikitesto]

I cuprati sono materiali stratificati, costituiti da strati superconduttori di ossido di rame, separati da strati distanziatori. I cuprati hanno generalmente una struttura simile a quella di un materiale bidimensionale. Le loro proprietà superconduttive sono determinate dagli elettroni che si muovono all'interno di strati di ossido di rame (CuO 2) debolmente accoppiati. Gli strati vicini contengono ioni come lantanio, bario, stronzio o altri atomi che agiscono per stabilizzare la struttura e diffondere elettroni o buchi sugli strati di ossido di rame. I composti "genitore" o "madre" non drogati sono isolanti Mott con ordine antiferromagnetico a lungo raggio a temperature sufficientemente basse. I modelli a banda singola sono generalmente considerati sufficienti per descrivere le proprietà elettroniche.

I superconduttori di cuprato adottano una struttura di perovskite. I piani di ossido di rame sono reticoli a scacchiera con quadrati di ioni O 2 con uno ione Cu 2+ al centro di ciascun quadrato. La cella unitaria viene ruotata di 45° da questi quadrati. Le formule chimiche dei materiali superconduttori generalmente contengono numeri frazionari per descrivere il doping richiesto per la superconduttività. Esistono diverse famiglie di superconduttori di rame e possono essere classificati in base agli elementi in essi contenuti e al numero di strati di ossido di rame adiacenti in ciascun blocco superconduttore. Ad esempio, YBCO e BSCCO possono in alternativa essere denominati Y123 e Bi2201 / Bi2212 / Bi2223 a seconda del numero di strati in ciascun blocco superconduttore (n). È stato scoperto che la temperatura di transizione superconduttiva raggiunge un picco con un valore di drogaggio ottimale (p = 0,16) e un numero ottimale di strati in ciascun blocco superconduttore, in genere n = 3.

I possibili meccanismi per la superconduttività nei cuprati continuano a essere oggetto di considerevoli dibattiti e ulteriori ricerche. Sono stati identificati alcuni aspetti comuni a tutti i materiali. Somiglianze tra lo stato antiferromagnetico a bassa temperatura dei materiali non drogati e lo stato superconduttore che emerge al doping, principalmente lo stato orbitale d x 2 -y 2 degli ioni Cu 2+, suggeriscono che le interazioni elettrone-elettrone sono più significative dell'elettrone - interazioni fononiche in cuprati - rendendo la superconduttività non convenzionale. Recenti lavori sulla superficie di Fermi hanno dimostrato che la nidificazione avviene in quattro punti nella zona antiferromagnetica di Brillouin dove esistono onde di spin e che il divario energetico superconduttore è maggiore in questi punti. I deboli effetti isotopici osservati per la maggior parte dei cuprati contrastano con i superconduttori convenzionali che sono ben descritti dalla teoria BCS.

Somiglianze e differenze nelle proprietà dei cuprati drogati con buco e drogati con elettroni:

  • Presenza di una fase pseudogap fino ad almeno un doping ottimale.
  • Differenti tendenze nel diagramma di Uemura che collegano la temperatura di transizione alla densità del superfluido. Il quadrato inverso della profondità di penetrazione di Londra sembra essere proporzionale alla temperatura critica per un gran numero di superconduttori cuprato sottodimensionati, ma la costante di proporzionalità è diversa per cuprati drogati con buco ed elettrone. La tendenza lineare implica che la fisica di questi materiali è fortemente bidimensionale.
  • Caratteristica universale a forma di clessidra nelle eccitazioni di spin di cuprato misurate usando la diffrazione di neutroni anelastica.
  • Effetto di Nernst evidente in entrambe le fasi superconduttiva e pseudogap.

La struttura elettronica dei cuprati superconduttori è altamente anisotropica (vedere la struttura cristallina di YBCO o BSCCO). Pertanto, la superficie di Fermi di HTSC è molto vicina alla superficie di Fermi del piano CuO 2 drogato (o multi-piani, nel caso di cuprato multi-strato) e può essere presentata nello spazio reciproco 2D (o spazio del momento) del Grata CuO 2. La tipica superficie di Fermi all'interno della prima zona di Brillouin del CuO 2 è disegnata in Fig. 1 (a sinistra). Può essere derivato dai calcoli della struttura della banda o misurato mediante spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolto (ARPES). La Figura 1 (a destra) mostra la superficie di Fermi di BSCCO misurata da ARPES. In una vasta gamma di concentrazioni di portatori di carica (livello di drogaggio), in cui l'HTSC drogato con buco è superconduttore, la superficie di Fermi è simile a un buco (cioè aperta, come mostrato in Fig. 1). Ciò si traduce in un'anisotropia in piano intrinseca delle proprietà elettroniche di HTSC.

A base di ferro[modifica | modifica wikitesto]

Diagramma di fase per superconduttori ad alta temperatura a base di ferro.[23]

I superconduttori a base di ferro contengono strati di ferro e un pnictogen - come arsenico o fosforo - o un calcogeno. Questa è attualmente la famiglia con la seconda temperatura critica più alta, dietro i cuprati. L'interesse per le loro proprietà superconduttive è iniziato nel 2006 con la scoperta della superconduttività in LaFePO a 4 anni   K[24] e ha guadagnato molta più attenzione nel 2008 dopo che l'analogo materiale LaFeAs (O, F)[25] stato trovato per supercondurre fino a 43 K sotto pressione.[26] Le temperature critiche più elevate nella famiglia dei superconduttori a base di ferro esistono nei film sottili di FeSe,[27][28][29] dove nel 2014 è stata segnalata una temperatura critica superiore a 100 K.[30]

Dalle scoperte originali sono emerse diverse famiglie di superconduttori a base di ferro:

  • LnFeAs (O, F) o LnFeAsO 1 − x (Ln = lantanide) con T c fino a 56 K, denominato 1111 materiali.[6] Un fluoruro variante di questi materiali è stato successivamente trovato con valori simili T c.[31]
  • (Ba, K) Fe 2 Come 2 e materiali correlati con coppie di strati di ferro-arsenuro, denominati 122 composti. I valori di T c variano fino a 38 K.[32][33] Questi materiali superconducono anche quando il ferro viene sostituito con cobalto.
  • LiFeAs e NaFeAs con T c fino a circa 20 K. Questi materiali superconduttivi si avvicinano alla composizione stechiometrica e sono chiamati 111 composti.[34][35][36]
  • FeSe con piccola stechiometria o drogaggio di tellurio.[37]

La maggior parte dei superconduttori a base di ferro non drogati mostra una transizione di fase strutturale tetragonale-ortorombica seguita a bassa temperatura da un ordinamento magnetico, simile ai superconduttori a velocità in tazza.[38] Tuttavia, sono metalli poveri piuttosto che isolanti di Mott e hanno cinque bande sulla superficie di Fermi anziché una.[23] Il diagramma di fase che emerge quando vengono drogati gli strati di ferro-arsenide è notevolmente simile, con la fase superconduttiva vicina o sovrapposta alla fase magnetica. Prove evidenti che il valore T c varia con gli angoli di legame As-Fe-As è già emerso e mostra che il valore T c ottimale si ottiene con 4 tetraedri FeA non distorti.[39] La simmetria della funzione d'onda di accoppiamento è ancora ampiamente dibattuta, ma attualmente è preferito uno scenario ad onde s estese.

Diboruro di magnesio[modifica | modifica wikitesto]

Il diboruro di magnesio viene occasionalmente definito superconduttore ad alta temperatura[40] perché il suo valore T c di 39 K è al di sopra di quanto storicamente previsto per i superconduttori BCS. Tuttavia, è più generalmente considerato come il T highest- c superconduttore convenzionale, l'aumentato T c risultanti da due bande separate essendo presente al livello di Fermi.

I superconduttori a fulleride[41] cui gli atomi di metallo alcalino sono intercalati in molecole C 60 mostrano una superconduttività a temperature fino a 38 K per Cs 3 C 60.[42]

Tutte le note ad alta T c superconduttori sono di tipo II superconduttori. Contrariamente ai superconduttori di tipo I, che espellono tutti i campi magnetici a causa dell'effetto Meissner, i superconduttori di tipo II consentono ai campi magnetici di penetrare al loro interno in unità quantizzate di flusso, creando "buchi" o "tubi" di normali regioni metalliche nella massa superconduttiva chiamata vortici. Di conseguenza, ad alta T c superconduttori possono sostenere campi magnetici molto più elevato.

Cuprati[modifica | modifica wikitesto]

La struttura dei superconduttori di cuprato è spesso strettamente correlata alla struttura della perovskite e la struttura di questi composti è stata descritta come una struttura di perovskite multistrato distorta e carente di ossigeno. Una delle proprietà della struttura cristallina dei superconduttori di ossido è un multi-strato alternato di piani CuO 2 con superconduttività che si svolge tra questi strati. Più strati di CuO 2, maggiore è T c. Questa struttura provoca una grande anisotropia nelle normali proprietà conduttive e superconduttive, poiché le correnti elettriche sono trasportate da fori indotti nei siti di ossigeno delle lastre CuO 2. La conduzione elettrica è altamente anisotropica, con una conducibilità molto più elevata parallela al piano CuO 2 rispetto alla direzione perpendicolare. Generalmente, le temperature critiche dipendono dalle composizioni chimiche, dalle sostituzioni di cationi e dal contenuto di ossigeno. Possono essere classificati come superstripes; cioè, realizzazioni particolari di superlattici al limite atomico fatte di strati atomici superconduttori, fili, punti separati da strati distanziatori, che danno superconduttività multibanda e multigap.

Cuprato di bario e ittrio[modifica | modifica wikitesto]

Cella unitaria per il tasso di cupido di bario e ittrio (YBCO)

Il cuprato di bario e ittrio, YBa 2 Cu 3 O 7 − x (o Y123), è stato il primo superconduttore trovato sopra il punto di ebollizione dell'azoto liquido Ci sono due atomi di bario per ogni atomo di ittrio. Le proporzioni dei tre diversi metalli nel superconduttore YBa 2 Cu 3 O 7 sono rispettivamente nel rapporto molare da 1 a 2 a 3 per ittrio, bario e rame: questo particolare superconduttore è stato spesso definito 123 superconduttore.

La cellula unitaria di YBa 2 Cu 3 O 7 è costituita da tre cellule unitarie di perovskite, che è pseudocubica, quasi ortorombica. Gli altri cuprati superconduttori hanno un'altra struttura: hanno una cellula tetragonale. Ogni cellula perovskite contiene un atomo Y o Ba al centro: Ba nella cella dell'unità inferiore, Y nella parte centrale e Ba nella cella dell'unità superiore. Pertanto, Y e Ba sono impilati nella sequenza [Ba – Y – Ba] lungo l'asse c. Tutti i siti angolari della cellula unitaria sono occupati da Cu, che ha due diverse coordinazioni, Cu (1) e Cu (2), rispetto all'ossigeno. Esistono quattro possibili siti cristallografici per l'ossigeno: O (1), O (2), O (3) e O (4).[43] I poliedri di coordinazione di Y e Ba rispetto all'ossigeno sono diversi. La triplicazione della cellula unitaria della perovskite porta a nove atomi di ossigeno, mentre YBa 2 Cu 3 O 7 ha sette atomi di ossigeno e, pertanto, viene definita struttura perovskite carente di ossigeno. La struttura ha un accatastamento di diversi strati: (CuO) (BaO) (CuO 2) (Y) (CuO 2) (BaO) (CuO). Una delle caratteristiche chiave della cella unitaria di YBa 2 Cu 3 O 7 − x (YBCO) è la presenza di due strati di CuO 2. Il ruolo del piano Y è quello di fungere da spaziatore tra due piani CuO 2. In YBCO, è noto che le catene Cu – O svolgono un ruolo importante per la superconduttività. T c è massima vicino a 92 K quando x   ≈ 0,15 e la struttura è ortorombica. La superconduttività scompare in x   ≈ 0,6, in cui la trasformazione strutturale di YBCO avviene da ortorombica a tetragonale.[44]

Altri cuprati[modifica | modifica wikitesto]

Reticolo cristallino di cuprato di bismuto e stronzio (BSCCO)

La preparazione di altri cuprati è più difficile della preparazione YBCO. Hanno anche una diversa struttura cristallina: sono tetragonali dove YBCO è ortorombico. Problemi in questi superconduttori sorgono a causa dell'esistenza di tre o più fasi con una struttura a strati simile. Inoltre, la struttura cristallina di altri superconduttori cuprati testati è molto simile.[45] Come YBCO, anche la caratteristica di tipo perovskite e la presenza di strati CuO 2 esistono in questi superconduttori. Tuttavia, a differenza di YBCO, le catene Cu – O non sono presenti in questi superconduttori. Il superconduttore YBCO ha una struttura ortorombica, mentre gli altri T c superconduttori ad alta hanno una struttura tetragonale.

Esistono tre classi principali di cuprati superconduttori: a base di bismuto, a base di gallio e a base di mercurio.

Il secondo valore nominale per importanza pratica è attualmente BSCCO, un composto di Bi – Sr – Ca-Cu-O. Il contenuto di bismuto e stronzio crea alcuni problemi chimici. Ha tre fasi superconduttive che formano una serie omologa come Bi 2 Sr 2 Ca n −1 Cu n O 4 + 2 n + x (n = 1, 2 e 3). Queste tre fasi sono Bi-2201, Bi-2212 e Bi-2223, con temperature di transizione di 20, 85 e 110 K, rispettivamente, in cui il sistema di numerazione rappresenta il numero di atomi rispettivamente per Bi, Sr, Ca e Cu.[46] Le due fasi hanno una struttura tetragonale che consiste in due celle cristallografiche tranciate. La cellula unitaria di queste fasi ha doppi piani Bi-O che sono impilati in modo tale che l'atomo Bi di un piano si trovi al di sotto dell'atomo di ossigeno del successivo piano consecutivo. L'atomo di Ca forma uno strato all'interno degli strati CuO 2 sia in Bi-2212 che in Bi-2223; non c'è strato di Ca nella fase Bi-2201. Le tre fasi differiscono tra loro nel numero di piani di ossido di rame[non chiaro] (CuO 2, chiamato cuprato); Le fasi Bi-2201, Bi-2212 e Bi-2223 hanno rispettivamente uno, due e tre piani CuO 2. Le costanti reticolari dell'asse c di queste fasi aumentano con il numero di piani di cuprato (vedere la tabella seguente). Il coordinamento dell'atomo di Cu è diverso nelle tre fasi. L'atomo di Cu forma una coordinazione ottaedrica rispetto agli atomi di ossigeno nella fase 2201, mentre nel 2212 l'atomo di Cu è circondato da cinque atomi di ossigeno in una disposizione piramidale. Nella struttura 2223, Cu ha due coordinazioni rispetto all'ossigeno: un atomo di Cu è legato con quattro atomi di ossigeno in configurazione planare quadrata e un altro atomo di Cu è coordinato con cinque atomi di ossigeno in una disposizione piramidale.[47]

Cuprato di Tl – Ba – Ca: la prima serie del superconduttore basato su Tl contenente uno strato Tl – O ha la formula generale TlBa 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +3,[48] mentre la seconda serie contiene due Gli strati Tl-O hanno una formula di Tl 2 Ba 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +4 con n   = 1, 2 e 3. Nella struttura di Tl 2 Ba 2 CuO 6 (Tl-2201), esiste uno strato CuO 2 con la sequenza di impilamento (Tl – O) (Tl – O) (Ba – O) (Cu – O) (Ba – O) (Tl – O) (Tl – O). In Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 8 (Tl-2212), ci sono due strati Cu – O con uno strato Ca in mezzo. Simile alla struttura Tl 2 Ba 2 CuO 6, gli strati Tl – O sono presenti all'esterno degli strati Ba – O. In Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Tl-2223), ci sono tre strati CuO 2 che racchiudono strati Ca tra ciascuno di questi. Nei superconduttori a base di T, si riscontra che T c aumenta con l'aumento degli strati di CuO 2. Tuttavia, il valore di T c diminuisce dopo quattro strati di CuO 2 in TlBa 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +3, e nel composto Tl 2 Ba 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +4, diminuisce dopo tre strati di CuO 2.[49]

Cuprato di Hg – Ba – Ca La struttura cristallina di HgBa 2 CuO 4 (Hg-1201),[50] HgBa 2 CaCu 2 O 6 (Hg-1212) e HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 (Hg-1223) è simile a quello di Tl-1201, Tl-1212 e Tl-1223, con Hg al posto di Tl. È interessante notare che la T c del composto Hg (Hg-1201) contenente uno strato di CuO 2 è molto più grande rispetto al composto di tallio a uno strato di CuO 2 (Tl-1201). Nel superconduttore basato su Hg, anche T c aumenta all'aumentare dello strato di CuO 2. Per Hg-1201, Hg-1212 e Hg-1223, i valori di T c sono 94, 128 e il valore record a pressione ambiente 134 K,[51] rispettivamente, come mostrato nella tabella seguente. L'osservazione che la T c di Hg-1223 aumenta a 153 K ad alta pressione indica che la T c di questo composto è molto sensibile alla struttura del composto.[52]

Temperatura superconduttiva, struttura cristallina e costanti reticolari di alcuni superconduttori cuprati
Nome Formula Temperatura (K) Numero di piani di CuO2
per unità di cella
Struttura di cristallo
Y-123 YBa 2 Cu 3 O 7 92 2 ortorombico
Bi-2201 Bi 2 Sr 2 CuO 6 20 1 tetragonale
Bi-2212 Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 85 2 tetragonale
Bi-2223 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 110 3 tetragonale
TL-2201 Tl 2 Ba 2 CuO 6 80 1 tetragonale
TL-2212 Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 8 108 2 tetragonale
TL-2223 Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 125 3 tetragonale
TL-1234 TlBa 2 Ca 3 Cu 4 O 11 122 4 tetragonale
Hg-1201 HgBa 2 CuO 4 94 1 tetragonale
Hg-1212 HgBa 2 CaCu 2 O 6 128 2 tetragonale
Hg-1223 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 134 3 tetragonale

Preparazione e produzione[modifica | modifica wikitesto]

Il metodo più semplice per preparare superconduttori ceramici è una reazione termochimica allo stato solido che coinvolge miscelazione, calcinazione e sinterizzazione. Le quantità appropriate di polveri precursori, generalmente ossidi e carbonati, vengono miscelate accuratamente usando un mulino a biglie. I processi chimici di soluzione come coprecipitazione, liofilizzazione e metodi sol-gel sono metodi alternativi per preparare una miscela omogenea. Queste polveri sono calcinate nell'intervallo di temperatura da 800 °C a 950 °C per diverse ore. Le polveri vengono raffreddate, rimesse in circolo e nuovamente calcinate. Questo processo viene ripetuto più volte per ottenere materiale omogeneo. Le polveri vengono successivamente compattate in pellet e sinterizzate. L'ambiente sinterizzazione quali temperatura, tempo ricottura, atmosfera e velocità di raffreddamento giocano un ruolo molto importante per ottenere una buona alta T c materiali superconduttori. Il composto YBa 2 Cu 3 O 7− x viene preparato mediante calcinazione e sinterizzazione di una miscela omogenea di Y 2 O 3, BaCO 3 e CuO nel rapporto atomico appropriato. La calcinazione viene eseguita a 900–950 °C, mentre la sinterizzazione viene effettuata a 950 °C in atmosfera di ossigeno. La stechiometria dell'ossigeno in questo materiale è molto cruciale per ottenere un composto superconduttore YBa 2 Cu 3 O 7− x. Al momento della sinterizzazione, si forma il composto tetragonale semiconduttore YBa 2 Cu 3 O 6 che, a lento raffreddamento in atmosfera di ossigeno, si trasforma in YBa 2 Cu 3 O 7− x superconduttore. L'assorbimento e la perdita di ossigeno sono reversibili in YBa 2 Cu 3 O 7 −x. Un campione YBa 2 Cu 3 O 7− x ortorombico completamente ossigenato può essere trasformato in YBa 2 Cu 3 O 6 tetragonale riscaldando sotto vuoto a temperatura superiore a 700 °C.[44]

La preparazione di superconduttori ad alta T c basati su Bi, Tl e Hg è più difficile della preparazione YBCO. Problemi in questi superconduttori sorgono a causa dell'esistenza di tre o più fasi con una struttura a strati simile. Pertanto, durante la sintesi si verificano intergrowth sintattico e difetti come difetti di impilamento e diventa difficile isolare una singola fase superconduttiva. Per Bi – Sr – Ca – Cu – O, è relativamente semplice preparare il Bi-2212 ( T c   ≈ 85 K) fase, mentre è molto difficile preparare una singola fase di Bi-2223 ( T c   ≈ 110 K). La fase Bi-2212 appare solo dopo poche ore di sinterizzazione a 860–870 °C, ma la frazione più grande della fase Bi-2223 si forma dopo un lungo tempo di reazione di oltre una settimana a 870 °C.[47] Anche se la sostituzione del Pb nel composto Bi-Sr-Ca-Cu-O è stato trovato per promuovere la crescita della fase ad alta T c,[53] un lungo tempo di sinterizzazione è ancora necessaria.

Ricerca in corso[modifica | modifica wikitesto]

La domanda su come sorge la superconduttività nei superconduttori ad alta temperatura è uno dei principali problemi irrisolti della fisica teorica della materia condensata. Il meccanismo che fa sì che gli elettroni in questi cristalli formino coppie non è noto. Nonostante la ricerca intensa e molti promettenti contatti, finora una spiegazione ha eluso gli scienziati. Una ragione di ciò è che i materiali in questione sono generalmente cristalli molto complessi, a più strati (ad esempio, BSCCO), rendendo difficile la modellazione teorica.

Il miglioramento della qualità e della varietà dei campioni dà anche luogo a ricerche considerevoli, sia allo scopo di migliorare la caratterizzazione delle proprietà fisiche dei composti esistenti, sia di sintetizzare nuovi materiali, spesso con la speranza di aumentare T c. La ricerca tecnologica si concentra sulla produzione di materiali HTS in quantità sufficienti per rendere il loro uso economicamente sostenibile e ottimizzare le loro proprietà in relazione alle applicazioni.

Meccanismo fisico[modifica | modifica wikitesto]

Ci sono state due teorie rappresentative per la superconduttività ad alta temperatura o non convenzionale. In primo luogo, la teoria dell'accoppiamento debole suggerisce che la superconduttività emerge dalle fluttuazioni di spin antiferromagnetiche in un sistema drogato.[54] Secondo questa teoria, la funzione d'onda di accoppiamento del cuprato ad alta temperatura dovrebbe avere una simmetria d x 2 -y 2. Pertanto, determinare se la funzione dell'onda di accoppiamento ha una simmetria dell'onda d è essenziale per testare il meccanismo di fluttuazione di spin. Cioè, se il parametro dell'ordine HTS (funzione d'onda di accoppiamento) non ha simmetria d -wave, è possibile escludere un meccanismo di accoppiamento correlato alle fluttuazioni di spin. (Argomenti simili possono essere fatti per i superconduttori a base di ferro, ma le diverse proprietà del materiale consentono una diversa simmetria di accoppiamento). In secondo luogo, esisteva il modello di accoppiamento interstrato, secondo il quale una struttura stratificata costituita da superconduttori di tipo BCS (simmetria a onde s) può migliorare la superconduttività da sola.[55] Introducendo un'interazione di tunneling aggiuntiva tra ogni strato, questo modello ha spiegato con successo la simmetria anisotropica del parametro dell'ordine e l'emergere dell'HTS. Pertanto, al fine di risolvere questo problema instabile, ci sono stati numerosi esperimenti come spettroscopia di fotoemissione, NMR, misure di calore specifiche, ecc. Fino ad oggi i risultati sono stati ambigui, alcuni rapporti hanno sostenuto la d simmetria per le HTS mentre altri hanno sostenuto la s simmetria. Questa situazione fangosa probabilmente ha avuto origine dalla natura indiretta delle prove sperimentali, nonché da questioni sperimentali come la qualità del campione, la dispersione delle impurità, il gemellaggio, ecc.

Questo riassunto fa un'ipotesi implicita: le proprietà superconduttive possono essere trattate con la teoria dei campi medi. Non menziona inoltre che oltre al gap superconduttivo, esiste un secondo gap, lo pseudogap. Gli strati di rame sono isolanti e i superconduttori sono drogati con impurità intercalari per renderli metallici. La temperatura di transizione superconduttiva può essere massimizzata variando la concentrazione di drogante. L'esempio più semplice è La 2 CuO 4, che consiste in strati alternati di CuO 2 e LaO che sono isolanti se puri. Quando l'8% di La viene sostituito da Sr, quest'ultimo agisce come droganti, contribuendo a buchi agli strati di CuO 2 e rendendo metallico il campione. Le impurità Sr fungono anche da ponti elettronici, consentendo l'accoppiamento interstrato. Procedendo da questo quadro, alcune teorie sostengono che l'interazione di accoppiamento di base è ancora l'interazione con i fononi, come nei superconduttori convenzionali con coppie di Cooper. Mentre i materiali non drogati sono antiferromagnetici, anche un po' del percento dei droganti di impurità introduce uno pseudogap più piccolo nei piani CuO 2 che è anche causato dai fononi. Il divario diminuisce con l'aumentare dei portatori di carica e quando si avvicina al divario superconduttore, quest'ultimo raggiunge il suo massimo. Il motivo dell'elevata temperatura di transizione è quindi dovuto al comportamento di percolazione dei portatori: i portatori seguono percorsi percolativi a zig-zag, in gran parte in domini metallici nei piani CuO 2, fino a quando non sono bloccati dalle pareti del dominio dell'onda di densità di carica, dove usano ponti droganti per attraversare un dominio metallico di un piano CuO 2 adiacente. I massimi della temperatura di transizione vengono raggiunti quando il reticolo dell'ospite ha forze di flessione del legame deboli, che producono forti interazioni elettrone-fonone sui droganti interstrato.[56]

Simmetria D in YBCO[modifica | modifica wikitesto]

Magnete S che levita sopra un'alta temperatura raffreddata da azoto liquido: questo è un caso di effetto Meissner.

È stato proposto un esperimento basato sulla quantizzazione del flusso di un anello a tre grani di YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO) per testare la simmetria del parametro dell'ordine nell'HTS. La simmetria del parametro d'ordine potrebbe essere meglio sondata sull'interfaccia di giunzione mentre il Cooper accoppia il tunnel attraverso una giunzione Josephson o un anello debole.[57] Ci si aspettava che un flusso semi-intero, cioè, una magnetizzazione spontanea potrebbe verificarsi solo per una giunzione di d superconduttori simmetria. Ma, anche se l'esperimento di giunzione è il metodo più efficace per determinare la simmetria del parametro dell'ordine HTS, i risultati sono stati ambigui. JR Kirtley e CC Tsuei hanno pensato che i risultati ambigui provenissero dai difetti all'interno dell'HTS, quindi hanno progettato un esperimento in cui sono stati considerati contemporaneamente sia il limite pulito (nessun difetto) che il limite sporco (difetti massimi).[58] Nell'esperimento, la magnetizzazione spontanea è stata chiaramente osservata in YBCO, che ha sostenuto d simmetria del parametro d'ordine in YBCO. Ma, dal momento che YBCO è orthorhombic, potrebbe di per sé ha una mescolanza di s simmetria. Così, sintonizzando ulteriormente la loro tecnica, hanno scoperto che non vi era un miscuglio di s simmetria YBCO all'interno di circa il 3%.[59] Inoltre, hanno trovato che c'era un d puro x 2 -y 2 parametro d'ordine simmetria nella tetragonale Tl 2 Ba 2 CuO 6.[60]

Meccanismo di fluttuazione di spin[modifica | modifica wikitesto]

Nonostante tutti questi anni, il meccanismo di alta T c superconduttività è ancora molto controverso, soprattutto a causa della mancanza di precisi calcoli teorici su tali sistemi elettronici fortemente interagenti. Tuttavia, i calcoli teorici più rigorosi, compresi gli approcci fenomenologici e diagrammatici, convergono sulle fluttuazioni magnetiche come meccanismo di accoppiamento per questi sistemi. La spiegazione qualitativa è la seguente:

In un superconduttore, il flusso di elettroni non può essere risolto in singoli elettroni, ma è invece costituito da molte coppie di elettroni legati, chiamate coppie di Cooper. Nei superconduttori convenzionali, queste coppie si formano quando un elettrone che si muove attraverso il materiale distorce il reticolo cristallino circostante, che a sua volta attira un altro elettrone e forma una coppia legata. Questo a volte viene chiamato effetto "letto ad acqua". Ogni coppia Cooper richiede una determinata energia minima da spostare e se le fluttuazioni termiche nel reticolo cristallino sono più piccole di questa energia, la coppia può fluire senza dissipare energia. Questa capacità degli elettroni di fluire senza resistenza porta alla superconduttività.

In una alta T c superconduttore, il meccanismo è estremamente simile ad un superconduttore convenzionale, ad eccezione, in questo caso, fononi praticamente alcun ruolo e il loro ruolo è sostituito da onde di spin-densità. Come tutte superconduttori convenzionali noti sono forti sistemi fononi, tutti noti T alta c superconduttori sono sistemi forti onde spin-densità, nelle immediate vicinanze di una transizione magnetico per, ad esempio, un antiferromagnete. Quando un elettrone si muove in una alta T c superconduttore, la sua rotazione crea un'onda spin-densità intorno ad esso. A sua volta, questa onda di densità di spin fa cadere un elettrone vicino nella depressione di spin creata dal primo elettrone (di nuovo effetto del letto ad acqua). Quindi, di nuovo, si forma una coppia Cooper. Quando la temperatura del sistema viene abbassata, vengono create più onde di densità di spin e coppie Cooper, che alla fine portano alla superconduttività. Si noti che in sistemi ad alta T c, in quanto questi sistemi sono sistemi magnetici dovuti all'interazione Coulomb, v'è una forte repulsione coulombiana tra elettroni. Questa repulsione di Coulomb impedisce l'accoppiamento delle coppie Cooper sullo stesso sito reticolare. Di conseguenza, l'accoppiamento degli elettroni avviene in corrispondenza di siti reticolari vicini. Questo è il cosiddetto accoppiamento d -wave, in cui lo stato di accoppiamento ha un nodo (zero) all'origine.

Esempi[modifica | modifica wikitesto]

Esempi di alta T c cuprati superconduttori comprendono YBCO e BSSCO, che sono il materiale più noto che raggiungere la superconduttività sopra del punto di ebollizione dell'azoto liquido.

Temperature dei superconduttori e dei refrigeranti più pratici, a pressioni ordinarie
Temperatura di transizione



<br /> (in gradi Celsius)
Articolo Tipo di materiale
-78 Ghiaccio secco (anidride carbonica) - sublimazione refrigerante
-89 La temperatura più bassa registrata sulla Terra refrigerante
-163 BSCCO Superconduttori Cuprato
-180 YBCO
-196 Azoto - Bollente refrigerante
-218 SmFeAs (O, F) Superconduttori a base di ferro
-232 CeFeAs (O, F)
-247 LaFeAs (O, F)
-255 Nb <sub id="mwA3o">3</sub> Sn Superconduttori metallici a bassa temperatura
-270 Elio - ebollizione refrigerante
-270 Hg ( mercurio : scoperta la prima sc) Superconduttori metallici a bassa temperatura

Note[modifica | modifica wikitesto]

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