Superconduttività ad Alta Temperatura
Il composto YBCO, formato da ossido di ittrio, bario e rame, è noto per essere stato uno dei primi materiali a manifestare proprietà superconduttive a temperature superiori a quelle di ebollizione dell’azoto liquido, ovvero a 77 K. Questo materiale rientra nella categoria dei superconduttori ad alta temperatura (HTS).
La superconduttività è stata scoperta nel 1911 da Heike Kamerlingh Onnes, che notò come la resistenza del mercurio si annullasse a basse temperature utilizzando elio liquido. Successivamente, questo fenomeno fu osservato anche in altri materiali come piombo, niobio e varie leghe, tra cui V-Si.
Temperatura Critica e Struttura dell’YBCO
La temperatura critica (Tc) è una proprietà fondamentale di questi materiali, indicando la temperatura al di sotto della quale si manifesta la superconduttività. Dopo anni di stabilità a pochi gradi Kelvin, nel 1987 all’University of Houston fu scoperto che l’YBCO poteva avere una Tc fino a 95 K, in base alla sua composizione.
La struttura dell’YBCO è basata su strati di ossidi di rame intercalati con stati di ossidi di altri metalli presenti nel materiale, simile a una perovskite ma con distorsioni e carenze di ossigeno. La cella unitaria è composta da tre celle perovskitiche in una struttura pseudo-cubica quasi ortorombica.
Al centro di ogni cella si alternano atomi di ittrio e bario, seguendo una sequenza Ba-Y-Ba. È presente una caratteristica peculiarità: due strati di CuO2 con ittrio che funge da spaziatore tra di essi. La superconduttività avviene attraverso questi strati di ossido di rame.
Questo modello a strati origina una marcata anisotropia nelle proprietà superconduttrici e di conduzione normale, con una capacità conduttiva maggiore parallela ai piani contenenti ossido di rame rispetto alla direzione perpendicolare.
In conclusione, la formula bruta dell’YBCO è YBa2Cu3O7-x.Superconduttori: Caratteristiche, Preparazione e Usi
Superconduttori con YBCO
Il composto chimico YBa2Cu3O7-x, noto come YBCO, è un superconduttore ad alta temperatura con proprietà sensibili alla quantità di ossigeno. Solo composizioni con un 0 2O3, BaCO3> e CuO. La sinterizzazione avviene a 950°C in presenza di ossigeno, producendo YBa2Cu3O7-x, che diventa superconduttore tramite un raffreddamento lento.
Usi del YBCO
I conduttori rivestiti con YBCO trovano applicazioni in fili, motori, generatori, magneti permanenti superconduttivi e giunzioni Josephson. Sebbene i superconduttori a base di rame siano ampiamente utilizzati, il YBCO offre potenzialità aggiuntive. Per ottimizzarne le proprietà, è necessario studiare le dipendenze della densità di corrente critica da vari fattori come temperatura, campo magnetico esterno e angolo tra campo esterno e asse-c cristallografico. Introducendo difetti artificiali, come perovskiti contenenti bario, è possibile aumentare la densità di corrente critica.
La sostituzione di Y con atomi di niobio e tantalio in una doppia perovskite ha dimostrato vantaggi significativi, tra cui un aumento della Tc e una struttura allineata di nano-colonne che migliorano le proprietà di trasporto. Queste innovazioni sono cruciali per sfruttare appieno il potenziale del YBCO in varie applicazioni, anche grazie alla deposizione su nastri metallici rivestiti con ossidi tampone per superare le sfide legate alla fragilità del materiale.
Superconduttori di Tipo II: Caratteristiche e Proprietà
I superconduttori di Tipo II, come il YBCO, sono una classe introdotta da Abrikosov, basata sulla teoria GL, che si è resa necessaria per risolvere comportamenti non spiegabili dalla teoria di London. La teoria di Gizburg-Landau (GL) è fenomenologica ma ha introdotto il concetto di funzione d’onda unica per elettroni superconduttori, permettendo di prevedere comportamenti macroscopici e quantistici della superconduttività.
Energia di Interfaccia e Magnetizzazione
Nei superconduttori di Tipo II, l’energia di interfaccia tra regioni superconduttive e normali è inferiore a zero, favorendo la suddivisione in domini alternati. La magnetizzazione inizialmente cresce linearmente con il campo applicato fino al campo critico Hc1, e diminuisce gradualmente fino al secondo campo critico Hc2. Tra i due campi critici, il materiale mostra uno stato misto in cui coesistono fasi superconduttive e normali.
Magnetizzazione e Vortici
Nello stato misto, il flusso magnetico penetra nel superconduttore sotto forma di vortici, ognuno trasportante un quanto di flusso. Questi vortici, con un core normale, generano una resistenza di flux-flow quando vengono mossi dalla forza di Lorentz generata da una corrente applicata.
Pinning Engineering e Proprietà Intrinseche
La pinning engineering cerca di creare una regione non superconduttiva per generare una forza di pinning che contrasti il movimento dei vortici. I difetti come dislocazioni e stacking faults possono agire come weak links, sopprimendo la superconduttività a causa delle ridotte lunghezze di coerenza che caratterizzano i superconduttori di Tipo II.
In generale, i superconduttori di Tipo II presentano differenze significative rispetto ai classici, dovute alle proprietà intrinseche del materiale come la lunghezza di coerenza ridotta, che può rendere suscettibile alla soppressione della superconduttività anche la presenza di difetti nella struttura del cristallo.
Per approfondire le tematiche legate alla forza di Lorentz e ai superconduttori, puoi consultare [questo articolo](https://chimica.today/fisica/forza-di-lorentz).
L’autore di questo articolo è [Gennaro Erbaggio](https://www.linkedin.com/in/gennaro-erbaggio-553580196).
