Preparación de una cerámica superconductora de YBCO

La preparación de la cerámica superconductora YBa₂Cu₃O_7-d se realizó de acuerdo con procedimientos conocidos.

En este proceso se busca crear un material que tenga una temperatura crítica aproximada de 92 Kelvin y presente características superconductoras como el blindaje magnético y la conducción eléctrica perfecta.

El estado superconductor[1] se descubrió en 1911 y desde entonces ha revolucionado el mundo tecnológico con diversas invenciones como máquinas de resonancia magnética, los imanes que guían las partículas en un acelerador (LHC) y hasta en la industria ferroviaria.

 En la década de los 80s el tema de la superconductividad tomo mayor relevancia con el descubrimiento de las cerámicas superconductoras, con base en Cobre sintetizadas por Georg Bednorz y Alex Müller a quienes les otorgaron en 1987 el premio nobel[2] debido a sus aportaciones a la física de materiales, dando así inicio a la carrera por los superconductores de alta temperatura critica[3] .

Actualmente existen muchos tipos de superconductores con una gran variedad de composiciones químicas.

El valor _-d Oscila entre 0.1 y 0.5

Al enfriarse los compuestos por debajo de su temperatura critica el material entra en estado superconductor, debido al cual la resistencia eléctrica del material decrece hasta un punto cercano a cero y se genera una reacción en presencia de un campo magnético exterior y lo repele, a este fenómeno se le conoce como efecto Meissner, que además es responsable de la conocida levitación magnética en los superconductores.

Los superconductores tienen limites en cuanto al campo magnético que pueden repeler y la corriente que pueden conducir los cuales se conocen como campo magnético crítico B_c y corriente eléctrica crítica I_c, cuando uno de estos dos valores se sobrepasa el estado superconductor desaparece.[4]

Existen dos tipos de materiales superconductores:

Tipo I: Dentro de esta clasificación usualmente encontramos metales que son sometidos a temperaturas de Helio líquido:

-Hg (Mercurio) con una T_c ≈ 4.2 Kelvin

-Es (Estaño) con una T_c ≈ 3.7 Kelvin

-Pb (Plomo) con una T_c ≈ 7.2 Kelvin

-Zn (Zinc) con una T_c ≈ 0.9 Kelvin

Tipo II: Entre los materiales que entran en esta clasificación se encuentran:

-cerámicas de Cupratos;

La_2-XBaCuO con una T_c ≈ 30 Kelvin

YBa₂Cu₃O_7-d con una T_c ≈ 92 Kelvin

-Otros;

NbTi (Neobio-Titanio) con una T_c ≈ 10 Kelvin y B_c de 10 Teslas.

Esta disciplina ha buscado durante décadas una ecuación unificada que explique el estado superconductor.

Durante más de 40 años no existía una teoría que explicara el estado superconductor, pero con la introducción de los conceptos de la mecánica cuántica surgió una herramienta que ayudó a los científicos a comprender este extraño estado de la materia.

Así surgió la teoría de los físicos soviéticos Vitaly Ginzburg y Lev Landau del año 1950 la cual nos explica el funcionamiento de la transición de fase que sufre un superconductor al enfriarse por debajo de su temperatura crítica.[5]

Esta teoría se ve complementada con la teoría BCS[6] llamada así en honor a sus creadores J. Bardeen, L. N. Cooper^* y J. R. Schrieffer la cual logró explicar el comportamiento de los superconductores creados hasta entonces con el modelo teórico de una nueva cuasipartícula llamada fonón, la cual corresponde a las vibraciones colectivas de los átomos de un sólido cristalino en un medio de pares de Cooper.

Conjuntas estas dos teorías logran explicar bien la superconductividad de tipo I, pero presenta fallas al intentar explicar la superconductividad de tipo II.

Por último, tenemos la teoría del doctorando de Lev Landau; En 1957 Alexéi Abrikosóv teorizo que sabiendo que en un superconductor de tipo II existen zonas que son superconductoras y zonas que no lo son, teniendo esto en mente Abrikosóv utilizo los conceptos de la topología[7] para explicar los vórtices de campo magnético que penetran el superconductor de tipo II y como se mueven a lo largo del material bajo la influencia de un campo magnético externo.[8]

En las cerámicas de YBCO existe una estructura cristalina periódica de tipo perovskita-ortorrómbica con planos de CuO₂ Ordenados los cuales nos permiten explicar su estado superconductor de la siguiente manera:

El YBCO es un compuesto anisotrópico debido a su estructura laminar. Está formado por un ordenamiento de planos conductores de cobre y oxígeno (CuO2), por donde fluye la corriente superconductora, separada por bloques de reserva de carga que permiten modificar el número de portadores en los planos de CuO2. Esta estructura da lugar a un comportamiento anisotrópico, tanto en el estado normal donde tenemos una resistividad en la dirección c mayor que la que tenemos en el plano ab (rc /rab ~ 50) como en las propiedades superconductoras. La cantidad de corriente que puede circular paralela a los planos de CuO2 (planos ab) es mayor que la que puede atravesar el eje-c.[9]

Al realizar los tratamientos térmicos se pierde una parte importante del oxígeno en la composición, debido a esto debemos realizar las oxigenaciones para ajustar la estequiometría.[10]

Al realizar la síntesis del material se utilizaron dos tanques de oxígeno diferentes lo cual puede darnos una razón a las diferencias en la oxigenación entre las dos muestras.

En la muestra 1 se utilizo un tanque viejo de aproximadamente 3 años de uso mientras que en la segunda se utilizo un tanque nuevo que se adquirió dos días antes de utilizarse.

Además de la XRD[11] se determino si el material tenía deficiencias o sobra de oxígeno en su composición observando su coloración:[12]

Azulada: deficiencia de oxígeno en su composición (Presencia de cationes).

Verdosa: Sobra de oxígeno en la muestra (presencia de aniones).

[1] Estado superconductor:

Se define como el estado en el cual un compuesto presenta conducción perfecta de la corriente eléctrica y un blindaje contra campos magnéticos. (REF. Introducción a los superconductores: Yesenia Arredondo León, Pág. VII)

[2] The Nobel Prize in Physics 1987. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2023. FRI. 30 jun 2023. <https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1987/summary/>

[3] Es la temperatura debajo de la cual se realiza la transición de estado normal a superconductor.

[4] https://wp.icmm.csic.es/superconductividad/superconductividad/parametros-criticos/#:~:text=Corriente%20cr%C3%ADtica%3A%20La%20corriente%20en,material%2C%20la%.

[5] Physics 127c: Statistical Mechanics Superconductivity: Ginzburg-Landau Theory

[6] https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.108.1175

[7] "estudio de las figuras geométricas debido a sus propiedades y posiciones respectivas, sin considerar su forma o tamaño" https://etimologias.dechile.net/?topologi.a#:~:text=La%20palabra%20%22topolog%C3%ADa%22%20est%C3%A1%20formada,considerar%20su%20forma%20o%20tama%C3%B1o%22.

[8] TYPE II SUPERCONDUCTORS AND THE VORTEX LATTICE Nobel Lecture, December 8, 2003, by Alexei A. Abrikosóv.

[9] PREPARACIÓN DEL ÓXIDO SUPERCONDUCTOR YBa2Cu 3 O 7-x POR EL MÉTODO SOL-GEL A. Bustamante, A. Osorio, J.C. González, M. Carhuancho, N. Salas, L. De Los Santos, N. De La Cruz y A. Díaz Facultad de Química e Ingeniería Química. Universidad Nacional Mayor de San Marcos.

[10] https://cdigital.uv.mx/bitstream/handle/123456789/5368/199726P47.pdf?sequence=2&isAllowed=y

Caracterización de muestras superconductoras de YBCO. -  Mtro. José Sergio Duran Niconoff.

[11] Difractometría por R-X por sus siglas en inglés.

[12] Desde la antigüedad se han utilizado los compuestos de aniones y cationes de cobre para su la elaboración de pigmentos: Eastaugh, N. y col: “Pigment Compendium: A Dictionary and Optical Microscopy of Historical Pigments”. Butterworth-Heinemann, 2008.