YBCO: il primo High Temperature Superconductor

Molti studi evidenziano un notevole aumento della densità di corrente critica con l’utilizzo di perovskiti artificiali contenenti bario, le quali crescono in strutture globulari o colonnari, i quali fungono da centri di pinning.

Un esempio interessante è una doppia perovskite con atomi di niobio e tantalio che sostituiscono Y nell’YBCO si hanno numerosi vantaggi, tra tutti c’è un aumento della Tc e si ottiene una struttura allineata di nano-colonne anche per alte velocità di deposizione. Inoltre la misura sui campioni di BYNTO ha evidenziato un significativo aumento delle proprietà di trasporto.

YBCO è un superconduttore del II tipo, questa classe di superconduttori è stata introdotta da Abrikosov, basatosi sulla teoria GL. La teoria di Gizburg-Landau (GL) subentrò per risolvere alcuni comportamenti che non era in grado di descrivere la teoria di London.  Si tratta comunque di una teoria fenomenologica ma che, per la prima volta, teneva conto degli effetti quantistici.

L’idea alla base della teoria GL è quella di attribuire ad un intero numero di elettroni superconduttivi un’unica funzione d’onda dipendente da una singola coordinata spaziale. Questa ipotesi ha implicitamente stabilito un comportamento coerente di tutti gli elettroni superconduttivi, ed è stata la svolta che ha consentito di prevedere molti effetti quantistici e allo stesso tempo macroscopici della superconduttività.

Per questo tipo di superconduttori l’energia di interfaccia tra una regione superconduttiva ed una normale è minore id zero. Questo implica che per questi materiali è energeticamente favorevole suddividersi in domini alternati S e N, sempre se ci si trova in determinate circostante di campo magnetico esterno e Tc. Nei superconduttori di tipo II l’andamento della magnetizzazione con il campo magnetico applicato è differente da quelli del tipo I.

Dal grafico osserviamo che in un primo momento la magnetizzazione cresce linearmente con il campo applicato, fino ad un campo critico inferiore indicato con Hc1. Nei superconduttori di tipo I, dopo il campo critico la magnetizzazione andava rapidamente a zero, invece in quelli del tipo II, la diminuzione è molto più graduale (esponenziale) fino al raggiungimento del secondo campo critico Hc2.

Tra i due campi critici la situazione microscopica di coesistenza delle fasi superconduttive e normali è differente dallo stato intermedio per i superconduttori di tipo I. Al di sopra di Hc1 il materiale non mostra l’effetto Meissner-Ochsenfeld, ovvero l’espulsione del campo magnetico (diamagnetismo perfetto).

Nello stato misto tra Hc1 e Hc2.il flusso magnetico penetra nel superconduttore sotto forma di vortici ed ognuno di questi trasporta un quanto di flusso. Le due fasi coesistono in una struttura molto ordinata e regolare nota come fase di Shubnikov, e si genera una sorta di reticolo in cui gli elementi di base, noti come vortici di Abrikosov sono caratterizzati da un core normale (non superconduttivo) intorno al quale circolano supercorrenti non dissipative. Prendiamo il caso di un superconduttore di tipo II nello stato misto, a cui viene applicata una corrente di trasporto, nella direzione perpendicolare ai vortici.

La corrente da origine ad una forza di Lorentz sui vortici che causa quindi il loro moto. Il movimento dei vortici tuttavia produce un campo elettrico parallelo alla corrente, e ciò genera una resistenza detta di flux-flow. Questa resistenza è molto più piccola della resistenza allo stato normale, ma il materiale non ha più una conduttività infinita.  Tramite la pinning engeneering si cerca di creare una regione non superconduttiva per generare una pinning force che si oppone al movimento dei vortici. La gamma di difetti che possono ‘’bloccare’’ i vortici è molto vasta, questa include: dislocazioni, stacking faults, bordi di grano, vacanze e fasi secondarie.

La differenza sostanziale con i superconduttori classici deriva dalle proprietà intrinseche del materiale, una su tutte la lunghezza di coerenza molto piccola. Questa lunghezza nella teoria BCS è un parametro collegato alla dimensione delle coppie di Cooper, le quali sono alla base del fenomeno della superconduttività. Una delle conseguenze di avere una lunghezza di coerenza molto piccola è che anche un bordo di grano può sopprimere la superconduttività, quindi in generale, i difetti nella struttura del cristallo possono agire come weak links.

Articolo a cura di Gennaro Erbaggio

Condividi
Avatar

Author: Chimicamo

Share This Post On