CoolMat Cool Materials High Tc Superconductors

Materiales frescos Superconductores de alta Temperatura

Todo es relativo; y los Superconductores de "Alta Temperatura" (SAT) no son ninguna excepción. ¿ Te parece que una temperatura de -180ºC es alta ?. Ciento ochenta grados Celsius por debajo del punto de congelación del agua es una temperatura extremadamente baja para la mayoría de la gente. Pero para los científicos que están acostumbrados a trabajar con temperaturas incluso mucho más bajas, el descubrimiento de materiales que presentan superconductividad a esas temperaturas fue una noticia que puso sus laboratorios al rojo vivo.

En los viejos tiempos (1910-1986) la superconductividad (*) era una propiedad exótica, exclusiva de ciertos metales, aleaciones y un puñado de materiales cerámicos. En todos los casos las temperaturas críticas de los materiales superconductores eran extremadamente bajas (de 10 a 20K, es decir de -263 a -253ºC)

(*)Superconductividad: Propiedad de ciertos materiales que les permite conducir electrones sin resistencia. Esta propiedad desaparece por encima de una temperatura característica de cada material (temperatura crítica o Tc), o bajo un campo magnético superior a un cierto valor crítico (Hc) o cuando se les somete a una densidad de corriente mayor que su valor crítico característico (Jc).

    En abril de 1986 tuvo lugar un cambio revolucionario con el descubrimiento de superconductividad en un óxido complejo de cobre, lantano y bario. Este material presentaba superconductividad a temperaturas más altas que ningún otro conocido 27K (-246ºC). Ese fue el punto de partida de una carrera que dio lugar a un crecimiento aparentemente exponencial de los valores de Tc. En los gloriosos días de 1987 el óxido de fórmula YBa₂Cu₃O₇(también conocido con los sobrenombres de 123, YBaCuO o YBCO) conquistó el record de alta Tc con un valor de 92K (-181ºC). Esa temperatura representaba haber sobrepasado el punto de ebullición del nitrógeno líquido, lo cual abría la puerta al desarrollo de una nueva y más accesible tecnología de dispositivos superconductores. O sea, que en relación al punto de partida esas temperaturas eran bien altas.

    En general la estructura de los superconductores de alta Tc es como un SANDWICH GIGANTE.
Hay capas de átomos de cobre y oxígeno (estas serían el jamón, la parte esencial para conseguir superconductividad) que se alternan con capas de otros metales (digamos las capas de pan). Y esta sucesión abarca un número enorme de capas.
   A continuación presentamos la estructura del superconductor 123 (leído uno,dos,tres). Hay de hecho dos estructuras: la de la izquierda corresponde al óxido con un menor contenido de oxígeno (de fórmula YBa₂Cu₃O₆) y que NO es un superconductor. A la derecha tenemos la misma estructura con tan solo algo más de oxígeno añadido (doping) y que corresponde a la fórmula del óxido superconductor YBa₂Cu₃O₇ . Esa pequeña diferencia de composición da lugar a un cambio radical de propiedades. En este caso el "jamón" son los planos de Cu-O que forman la base de las pirámides azules y las capas de "pan" la forman también átomos de cobre pero de un tipo distinto (pequeñas esferas azules con enlaces de color azul claro). Si los átomos fueran del tamaño con que se representan aquí, un pequeño cristal de unas micras se extendería en las tres direcciones del espacio a lo largo de unos 100 metros. Podemos imaginar el cristalito como un cubo con 35000 millones de pirámides, más o menos, millón arriba, millón abajo. YBa₂Cu₃O₆

YBa₂Cu₃O₇

Dibujos en perspectiva de las estructuras de YBa₂Cu₃O₆ (aislante) y YBa₂Cu₃O₇ (superconductor). Las pequeñas esferas amarillas son iones Y³⁺ , las esferas naranjas mas grandes son iones Ba²⁺ . Las esferas azules pequeñas átomos de cobre y las esferas rojas pequeñas, iones de oxígeno O^2- .La celda unidad se muestra en amarillo. Las pirámides azules representan los iones de cobre activos rodeados de cinco iones óxido O^2- . Las barritas azules representan enlaces entre iones cobre (en la capa de "pan") e iones O^2-.

Después del YBaCuO se han descubierto nuevos óxidos de cobre superconductores, más complejos y con Tc's más altas. En orden de aparición, y en orden creciente de ruptura de récords de Tc podemos mencionar una familia completa de óxidos de cobre con bismuto (Bi), otra a base de cobre y talio(Tl) y finalmente la serie de óxidos de cobre y mercurio (Hg). Actualmente (Dic. 1998) el record de Tc lo tiene el óxido Ca₂Ba₂Cu₃HgO₈ (Tc=130K, -143ºC). Su estructura se muestra más abajo. Incluimos también la estructura del óxido CaBa₂Cu₂HgO₆ a efectos de comparación. Este último presenta una similitud evidente con el YBa₂Cu₃O₆ (sólo difieren en la forma en que el oxígeno se coordina en las capas de mercurio o de cobre).

CaBa₂Cu₂HgO₆ Ca₂Ba₂Cu₃HgO₈

Dibujos en perspectiva de las estructuras de CaBa₂Cu₂HgO₆ and Ca₂Ba₂Cu₃HgO₈ (Tc =130K). La pequeñas esferas blancas son iones Ca²⁺ , las esferas naranjas más grandes son iones Ba²⁺ . Las esferas azules átomos de cobre, las esferas violeta pequeñas representan átomos de Mercurio y las esferas rojas iones óxido O^2- . La celda unidad se muestra en amarillo. Las pirámides azules representan los iones de cobre activos rodeados de cinco iones óxido O^2- . Las barras verdes son enlaces entreiones Hg e iones óxido.

El récord de 130K se consiguió en 1993 y desde entonces las cosas parecen haberse estancado. ¿Quiere eso decir que la investigación en superconductores de alta Tc se ha terminado?. ¡EN ABSOLUTO!. Hay muchos otros aspectos de los superconductores de alta Tc que necesitan mejoras y desarrollo urgentes. Por ejemplo, cómo conseguir corrientes críticas más altas, o el desarrollo y fabricación de dispositivos prácticos son dos de estos otros aspectos.

Y en cuanto a la búsqueda de nuevos materiales no debemos descartar la posibilidad de descubrir alguno con valores de Tc todavía más altos o con otras propiedades mejoradas. Así por ejemplo, la historia reciente de los superconductores de alta Tc está impregnada de metales pesados muy peligrosos y contaminantes (Bi, Tl, Hg... son todos muy tóxicos). Sería estupendo por tanto buscar nuevos óxidos que cambiaran ese gusto por el "heavy metal" y dieran lugar a materiales y dispositivos más benignos con nuestro medio ambiente.

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