UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTIFACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICA

MATERIALE SUPRACONDUCTOARE LA TEMPERATURI RIDICATE

STUDENT:DAMIAN ADRIAN

1

Ce este un supraconductor?

Keike Kamerlingh Onnes (1853-1926)

2

1911 Supraconductibilitatea a fost observata pentru prima data, intr-un esantion de mercur, de catre fizicianul olandez Keike Kamerlingh Onnes, la universitatea din Leiden, Olanda. Acesta a racit mercurul pana la temperatura heliului lichid (4,2 K), moment in care rezistenta sa electrica s-a anulat brusc.

1913 Onnes a fost recompensat cu premiul Nobel pentru

cercetarile sale in acest domeniu.

1933 Walther Meissner si Robert Ochsenfeld au descoperit ca un material supraconductor expulezeaza campul magnetic. Acest fenomen este astazi cunoscut ca efectul Meissner (-Ochsenfeld). Efectul Meissner este atat de puternic,incat un magnet poate fi levitat deasupra unui material supraconductor.

Istoric

3

1957 Teoria BCS: Prima explicatie teoretica a fenomenului de supraconductie, prezentata de fizicienii americani John Bardeen, Leon Cooper si Robert Schrieffer.

1962 Oamenii de stiinta de la Westinghouse au realizat primul

fir supraconductor comercial, un aliaj de niobiu si titan. Prima utilizare a acestui fir de inalta energie a fost pentru electromagnetii unui accelerator de particule.

1962 Brian D. Josephson, un student din ciclul al treilea al universitatii din Cambridge, a prezis ca un curent electric va circula intre doua materiale supraconductoare, chiar si atunci cand ele sunt separate de un material ne-supraconductor sau un izolant. Acest fenomen de tunelare, cunoscut astazi sub numele de ”efect Josephson”, a fost aplicat la fabricarea unor dispozitive electronice, ca de exemplu CALMAR, un instrument capabil sa detecteze campuri magnetice de intensitati foarte reduse.

Istoric

4

1979 A fost sintetizat cu succes primul supraconductor organic (pe baza de carbon) de catre cercetatorul danez Klaus Bechgaard de la Universitatea din Copenhaga impreuna cu trei membri ai unei echipe franceze. Materialul abreviat (TMTSF)2PF6 a trebuit sa fie racit la o temperatura de numai 1.2 K si apoi supus unei presiuni inalte pentru a deveni supraconductor. Simpla sa existenta a dovedit posibilitatea crearii de molecule modelate pentru a se comporta intr-un mod previzibil.

1986 Alex Müller si Georg Bednorz, cercetatori de la laboratoarele IBM din Elvetia au creat un compus pe baza de ceramica La2−xBaxCuO4 (ceramica oxidica de tip perovskit), aceasta devenind supraconductor la temperatura cea mai inalta de pana atunci, 30 K.

Istoric

5

1987 O echipa de cercetatori de la Universitatea din Alabama a substituit ytriu (Y) cu lantaniu (La) in molecula lui Muller si Bednorz obtinand pentru compusul YBa2Cu3O7 o temperatura critica incredibila, de 92 K. Pentru prima data un material, numit astazi YBCO (Ytriu, Bariu, Cupru ¸si Oxigen), avea o temperatura critica mai mare decat cea a azotului lichid.

1993 A fost sintetizat primul supraconductor ceramic din clasa cupratilor de mercur (material oxidic supraconductor cu cupru, pe baza de bismut sau taliu), O temperatura critica de 138 K a fost obtinuta in 1994 la Institutul Nat¸ional de Standarde si Tehnologie din Colorado, SUA pentru materialul (Hg0.8Tl0.2)Ba2Ca2Cu3O8.33.

2009 Recordul pentru cea mai ridicata temperatura critica este de 254 K. Materialul testat pentru omologarea acestui record este (Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+.

Istoric

Structura unei ceramici YBCO

6

7

Tipuri de supraconductori

-Supraconductoari de speta intai

-Supraconductoari de speta a doua a

8

Supraconductori de speta intai

- numiti si supraconductori usori, au fost primii supraconductori descoperiti si necesita cele mai scazute temperaturi (Tc) pentru a ajunge in stare supraconductoare.

- sunt in general metale care prezinta o conductivitate importanta la temperatura camerei.

- sunt caracterizati printr-o tranzitie brusca din starea normala in starea supraconductoare la temperatura critica Tc.

- in general Tc < 10 K.

-M

HHC

Superconductor

Normal

9

Supraconductori de speta intai

Sunt caracterizati de:

-Pierdere brusca a magnetizatiei

-Manifesta efectul Messner

-Un singur camp magnetic critic HC ≈0,1T

-Nu au stare de tranzitie

-Supracondutoare usoare

-Plumb, staniu, mercur

10

Efectul Meissner

-Consta in expulzarea liinilor de camp magnetic dintr-un material supraconductor atunci cand T<TC si H<HC

- Materialul este perfect diamagnetic- Efectul este reversibil, cand temperatura depaseste temperatura critica liinile de

camp penetreaza materialul

11

Supraconductori de speta a doua a

Superconductor

-M

Normal

Mixed

HC1 HCHC2

H- au fost descoperiti dupa supraconductorii de speţa I;

- in afara de cateva elemente pure (V, Nb), sunt aliaje metalice si compusi ceramici

- in general (compusii ceramici) au temperaturi critice Tc mult mai mari decat supraconductorii de speţa I;

- tranzitia din starea normala in starea supraconductoare nu se realizeaza brusc (la o anumita Tc) ci gradual, trecand printr-o faza mixta; intre Tc1 si Tc2, sau intre Hc1 si Hc2, apar fluxoizi (vortexuri) in care materialul este in stare normala.

12

Supraconductorii de speta a doua

Sunt caracterizati de:

-Isi pierd magnetizatia gradual, nu brusc

-Nu manifesta complet efectul Meissner

-Au doua campuri magnetice critce HC1 si HC2 (≈30 T)

-Au o stare de tranzitie

-Devin greu supraconductori

-Niobiu-staniu, niobiu-titan

13

Eficienta cablurilor supraconductoare

14

Planar Weight Disparity reprezinta o metoda de a creste temperatura critica TC prin ajustarea greutatii relative a straturilor alternative in supraconductorii cupru oxid

15

Plecand de la (Tl5Pb2)Ba2Mg2Cu9O17+ martie 2011 sa ajuns la temperatura critica de 18OC, realizata de materialul (Tl5Pb2)Ba2MgCu10O17+

Aceasta temperatura sa obtiunut prin modificarea unei structuri D223 ce impinge limitele celei mai lungi axe C care devine supraconductoare.In 2008 cupratul Sn-In-Tm a devenit supraconductor la aproximativ 195K.El avea constanta Lattice pe axa C de aproape 33Ặ.Sa inceput cu (Tl5Pb)Ba2MgCu9O15+ care avea constanta Lattice aproape 30Ặ, dar cu o dopare de plumb de 16% in loc de 20%.Astfel sa ajuns la o temperatura critica magnetica de 282K (9OC) si o temperatura critica rezistiva de aproape 280K(7OC).

16

Constanta Lattice reprezinta distanta constanta dintre unitatea celulei intr-un cristal Lattice.

17

In decembrie 2011 (Tl5Pb2)Ba2Mg2Cu9O17+ a devenit primul material ce a trebuit incalzit pentru a deveni supraconductor. Temperatura critica a fost in jur de 28,5OC.

Pentru atingerea acestei temperaturi, sa inlocuit un atom de magneziu In C2, modificandu-se astfel PWR al axei C2, in timp ce PWR al axei C1 ramane nemodificata.

18

Sinteza supraconductorilor oxidici

Metode de preparare:- metoda ceramica

- cea mai accesibila si utilizata;- produsi cu maxim 99% componenta monofazica

supraconductoare;- omogenitatea componentelor este f dificila.

- metoda solutiilor - asigura o mai buna omogenitate- metoda topiturilor - asigura o mai buna omogenitate

19

Metoda sintezei in faza solida

- reactia directa a amestecurilor de oxizi metalici la temperaturi foarte ridicate- daca toti componentii sunt solizi atunci metoda este numita si “metoda

ceramica”- compusi de start:

oxizi metalici, carbonati, alte saruri.

- amestecare- tratament termicUnii oxizi metalici

- sunt higroscopici- reactioneaza cu bioxidul de carbon din aerTrebuie inlocuiti cu carbonati sau nitrati

Exemplu: BaCO3 = BaO + CO2 (la peste 9500C)

20

Metoda sintezei in faza solida

- puritatea substantelor de start > 99% - higroscopice - deshidratare prealabila - analiza termogravimetrica - temperaturi ridicate - difuzie buna

- viteza de reactie - sinteza la temperaturi foarte ridicate este limitata de temperaturile la care compusii se descompun.

Exemplu: YBa2Cu3O7 : - descompunere la 10500C, - sinteza la 10000C.

nitrati sau carbonati:-tratament termic pentru descompunerea in oxizi si CO2 sau NO2 (calcinare)-remojarare a amestecului de oxizi-tratamentul termic final-omogenitatea optima mojarari succesive-interactiune cu peretii recipientilor impurificare-pastilare + creuzete tip “barcuta”

21

Metoda sintezei in faza solida

Calitatea probelor obtinute depinde de:

- puritatea compusilor de start;

- omogenitatea initiala a amestecului de oxizi, carbonati sau alte saruri;

- viteza de variatie a temperaturii cuptorului;

- temperatura de tratament termic;

- durata tratamentului termic;

- natura atmosferei pe tot parcursul sintezei, in special in etapa finala.

22

Supraconductorii din clasa “214”

Formula generala: Ln2-xMxCuO4

Avem doua categorii posibile:a) supraconductori dopati cu goluri

(M = Ca, Sr sau Ba)(calciu, strontiu, bariu)

b) supraconductori dopati cu electroni (Ln = Nd, Pr sau Sm; M = Ce sau Th)

(Neodim, Praseodim, Samariu / Ceriu, Toriu)a) supraconductori dopati cu goluri (M = Ca, Sr, Ba)- La2CuO4 este un antiferomagnet izolator, de obicei- atmosfera de oxigen la temperaturi inalte

doparea cu goluri a compusului izolatorsupraconductor pentru T < Tc = 35 K.

- efect similar: doparea compusului La2CuO4 cu elemente alcalino-pamantoase (M = Ca, Sr, Ba).

- se obtin compusi Ln2-xMxCuO4 cu Tc > 35 K.- sinteza in aer, la circa 10000C, - tratament termic, la circa 4000C, in atmosfera de oxigen.

23

Supraconductorii din clasa “214”

b) supraconductori dopati cu electroni (Ln = Nd, Pr sau Sm; M = Ce sau Th)- scop: valenta cuprului < +2, pentru ca electronul donat de Ce4+ sau Th4+ sa nu fie anihilat prin cresterea continutului de oxigen- calcinarea la 9000C - sinterizarea la 10500C (24 ore) in aer, - tratament termic in atmosfera reducatoare (Ar, N2 sau H2) la 9000C. (Ln = Nd, Pr sau Sm; M = Ce sau Th) ...Alta varianta: -amestecul de NdCeO3.5 cu Nd2O3 si CuO in flux de oxigen la 9800C (>48 ore). - racire rapida in atmosfera reducatoare, (nepermitand difuzia cesiului si obtinand probe cu distributie uniforma de Ce si O).- Substituirea partiala a oxigenului cu Fluor in Nd2CuO4, folosind ca material de start NdF3, precum si a cuprului cu ioni trivalenti (Ga sau In) in compusul nesupraconductor Nd2-xCexCuO4 au transformat acesti compusi in supraconductori dopati cu electroni.

24

Supraconductorii din clasa “123”

Formula: Y1Ba2Cu3O7-

Preparare: metoda sintezei in faza solidaTc ~ 90 KSubstante de start:

- Y2O3, BaCO3 si CuO

- amestec stoechiometric- calcinare intre 900-9500C pentru 10-24 ore.

Daca amestecul nu e suficient de omogeno multime de faze posibileimpuritati ne-supraconductoare

Supraconductorii monofazici:- repetarea tratamentului termic dupa remojarare.- tratament in flux de oxigen la 450–5000C (5–10h)- racire lenta, vr < 3 0C/min.

25

Avantaje:- BaO2 se descompune la temperatura mai joasa decat BaCO3

- BaO2 actioneaza si ca sursa interna de oxigen,

scade durata tratamentului in atmosfera de oxigenUrmand aceleasi etape se sinterizeaza si alti compusi de tip “123”, cu pamanturi rare:

LnBa2Cu3O7- ,

unde Ln = La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er sau Tm, toti avand temperatura critica in jur de 90 K

Supraconductorii din clasa “123”

26

Aplicatii in ingineria electrica:

-Distributie

-Elemente semiconductoare

-Aparate de masura foarte sensibile

-Memorii de dimensiuni reduse si densitati foarte mari

-Fabricarea de generatoare si transformatoare de puteri foarte mari puteri (de ordinul GW-lor)

27

Aplicatii medicale

-NMR – Nuclear Magnetic Resonance – Scanning-Monitorizarea undelor celebrale, detectarea tumorilor creierului, a celulelor afectate-Separarea celulele sanatoase de cele afectate-Bobine supraconductoare-Generatoare magneto-hidro dinamice

28

Jonctiunea Josephson

Consta intr-un strat izolator de material amplsat intre doua materiale supraconductoare.

Izolatorul actioneaza ca o bariera in curgerea electronilor.

Cand este aplicata o tensiune curentul circula intre supraconductori prin efectul tunel.

29

Aplicatii ale jonctiunii Josephson

-Senzori magnetici

-Osciloscoape

-Decodoare

-Convertoare analog digitale

-Oscilatoare

-Amplificatoare de microunde

30

SQUIDS (Super Conducting Quantum Interference Devices) - reprezinta cel mai sensitiv detector cunoscut stiintei. Este compus dintr-o bucla supraconductoare cu doua jonctiuni Josephson. Sunt folosite pentru masurarea campurilor magnetice.

31

Cryotron-ul este un contact ce functioneaza folosind supraconductivitatea. Functioneaza pe principiul ca un camp magnetic determina pierderea proprietatii de supraconductor.

Este realizat dintr-o piesa de tantal infasurata cu o bobina de niobiu plasata intr-o baie de heliu lichid. Cand curentul circula prin firul de tantal el este supraconductor, dar cand curentul trece prin niobiu un camp magnetic este produs. Acesta distruge supraconductivitatea si determina oprirea sau incetinirea curentului.

32

Bibliografie

-www.superconductors.org-www.wikipedia.org-Supraconductibilitatea metalelor si aliajelor cu structura de banda complexa (V. A. MOSKALENKO, L. Z. KON, M. E. PALISTRANT)-supraconductibilitate la temperaturi inalte (Simion Simon,Mircea Crisan)-High Temperature Superconductors:Materials, Mechanisms and Applications (ASM Inaugural Lecture 2009, R. Abd-Shukor, F.A.Sc.)-Contributii la studiul unor straturi speciale: straturi supraconductoare de temperatura inalta si straturi de ınalta duritate (Mihaela Catalina Stegarescu)