YBCO: il primo High Temperature Superconductor

L’ossido di ittriobario e rame, o YBCO, è famoso per essere stato il primo materiale a mostrare proprietà superconduttive ad una temperatura superiore a quella di ebollizione dell’azoto liquido, ovvero 77 K.

Questa caratteristica lo fa entrare di diritto nella classe dei superconduttori ad alta temperatura (HTS).

La scoperta della superconduttività si deve al fisico Heike Kamerlingh Onnes che si accorse nel 1911 che, a temperature criogeniche, tramite l’utilizzo dell’elio liquido, la resistenza del mercurio si annullava. Successivamente questo comportamento fu scoperto anche in altri materiali come piombo, niobio ed altre leghe (ad esempio VSi).

La caratteristica fondamentale di questi materiali è la temperatura critica Tc ovvero la temperatura al di sotto della quale si osserva un comportamento superconduttivo. La temperatura critica è rimasta ferma alla soglia di pochi gradi Kelvin per molti anni successivi alla scoperta della superconduttività. Nel 1987 alla University of Houston scoprirono che l’YBCO ha una Tc che può arrivare a 95 K, in relazione alla composizione del materiale.

Struttura

YBCO fa parte di una classe di superconduttori ad alta temperatura base di rame; questi sono formati da strati di ossido di rame che si alternano con stati di ossidi di altri metalli presenti nel materiale.

La struttura è simile ad una perovskite ma distorta e deficiente di ossigeno infatti la perovskite richiederebbe stechiometria YBa2Cu3O9. La cella unitaria è formata da tre celle unitarie perovskitiche, in una struttura pseudo-cubica, quasi ortorombica.

Al centro di ogni cella c’è un atomo di ittrio o bario, che si susseguono con una sequenza Ba-Y-Ba. Una caratteristica nella cella unitaria di YBCO è la presenza di due strati di CuO2, ed il ruolo di Y è quello di essere spaziatore tra questi due piani di ossido di rame. La superconduttività si svolge attraverso i diversi strati contenenti ossido di rame. La caratteristica di una struttura a strati comporta una forte anisotropia nelle proprietà superconduttive e di normale conduttività, infatti la conduzione risulta essere molto maggiore parallelamente ai piani contenenti ossido di rame, rispetto alla direzione perpendicolare.

La formula bruta di YBCO è YBa2Cu3O7-x, e le proprietà di questo materiale sono sensibili alla quantità di ossigeno contenuto. Solo le composizioni con 0 < x < 0.65 presentano caratteristiche superconduttive al di sotto della Tc, ed in particolare quando x vale circa  0.07 il materiale superconduttivo conduce a 95 K che è la temperatura più alta registrata. La superconduttività è massima quando c’è un contenuto di ossigeno vicino al valore 0.15 e la struttura è ortorombica, scompare invece per un valore di x di circa 0.65, a cui  avviene una modificazione strutturale da ortorombica a tetragonale. In generale la temperatura critica dipende oltre che dal contenuto di ossigeno e dalle sostituzioni cationiche, anche dalla realizzazione del materiale.

Preparazione

Le proprietà di YBCO dipendono fortemente dal metodo di preparazione utilizzato.

Occorre molta cura nella sinterizzazione del materiale. Per ottenere un materiale cristallino con le migliori proprietà superconduttive possibili, occorre far in mondo che ci sia un allineamento tra i confini dei grani con un attento controllo delle velocità di ricottura e di tempra. YBCO si prepara tramite calcinazione e sinterizzazione di una miscela di Y2O3, BaCO3 e CuO.

vetro sinterizzato

Si esegue una calcinazione a 900°C, e successivamente una sinterizzazione a 950°C in presenza di ossigeno. Con questa operazione di forma YBa2Cu3O6, che tramite un raffreddamento lento diventa YBa2Cu3O7-x superconduttore, con una trasformazione che è reversibile.

Usi

I conduttori con rivestimenti a base di YBCO hanno un grande potenziale in diverse applicazioni come fili, motori, generatori, magneti permanenti superconduttivi e giunzioni Josephson. I superconduttori a base di rame hanno già applicazioni su larga scala.

Ad esempio, decine di chilometri di cavi superconduttori BSCCO-2223 a 77 K vengono utilizzati negli attuali conduttori del Large Hadron Collider al CERN. Tuttavia nonostante questo tipo di applicazioni ci sono due problemi da risolvere. Il primo è che anche se i singoli cristalli di YBCO hanno una densità di corrente alta, i policristalli trasportano una bassa corrente superconduttiva. Un secondo problema è associato alla lavorazione del materiale, il quale essendo fragile, è difficile da modellare e trafilare con un qualsiasi processo convenzionale.

Per questo motivo, il modo migliore di utilizzare questo materiale è depositare uno strato di YBCO su nastri metallici rivestiti con ossidi tampone. Per sfruttare a pieno il potenziale di YBCO è necessario studiare le dipendenze della densità di corrente critica. Queste dipendenze sono temperatura, campo magnetico esterno e angolo tra campo esterno e asse-c cristallografico, e possono essere modificate ed ottimizzate tramite la creazione di difetti artificiali che agiscono come centri di pinning.

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Author: Chimicamo

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