Los principios físicos y las posibilidades de usar la superconductividad (incluidos los ya implementados) se describen abundantemente en la literatura y en Internet, por lo que aquí nos limitaremos solo a una breve excursión a la esencia de este fenómeno y las posibilidades de su aplicación, para luego pasar a lo más interesante: qué (gran avance) descubrimientos Las regiones superconductoras se completaron literalmente el año pasado.
En el libro de Vitaly Ginzburg y Evgeny Andryushin, publicado en el sitio web "Elements", se describe detallada y popularmente la superconductividad. Una presentación más popular de los aspectos históricos y prácticos de la superconductividad se encuentra en un material muy interesante sobre Habré en el blog de Toshiba. Un artículo de fecha 29 de julio de 2019, sus indicadores:
Entonces, la mayoría de las sustancias se pueden atribuir a conductores o dieléctricos. La corriente eléctrica es una secuencia de electrones que penetran a gran velocidad a través de un material (principalmente conductores sólidos o líquidos) desde una fuente hasta un receptor. Cualquier sustancia tiene algún índice de resistencia. La resistencia se debe al movimiento de los átomos en una sustancia, y estos átomos capturan algunos de los electrones del flujo, ya que vibran todo el tiempo, desviándose de la posición base. Cuanto más alta es la temperatura, más pronunciado es este fenómeno. Pero cuando se alcanza el estado superconductor, cualquier movimiento de los átomos en la sustancia se detiene y los electrones penetran a través de ella sin obstáculos. Obviamente, tal estado debe ocurrir a temperaturas muy bajas, y es por eso que Kamerling-Oness lo descubrió para el mercurio, el plomo y el estaño a temperaturas.cerca del cero absoluto, que es 0 K o -273,16 ° C. Una corriente eléctrica arbitrariamente débil puede persistir en una sustancia superconductora de forma indefinida. Ya en 1933 (Kamerling-Oness murió en 1926) Walter Meissner y Robert Ochsenfeld descubrieron una propiedad igualmente sorprendente que acompañaba a la superconductividad: resultó que la sustancia superconductora empuja completamente su propio campo magnético. Y esto abre el camino a cosas tan futuristas (entonces) como la resonancia magnética yque la sustancia superconductora empuja completamente su propio campo magnético. Y esto abre el camino a cosas tan futuristas (entonces) como la resonancia magnética yque la sustancia superconductora empuja completamente su propio campo magnético. Y esto abre el camino a cosas tan futuristas (entonces) como la resonancia magnética y levitación magnética , así como la creación de reactores termonucleares .
Aquí notamos que Kamerling-Oness experimentó con metales pesados y también descubrió la primera aleación que entra en un estado de superconductividad y consiste en mercurio, oro y plomo. En consecuencia, la búsqueda de sustancias que adquieran propiedades superconductoras a la temperatura más alta posible se ha convertido en la tarea principal en el camino hacia la aplicación práctica de la superconductividad.
Metal, temperatura de transición superconductora y año de descubrimiento. Fuente de ilustración
Así, la búsqueda científica en el campo de los superconductores de alta temperatura pasó gradualmente de metales pesados a metales de transición, aleaciones, compuestos intermetálicos y no metales. Los compuestos de cobre (cupratos) y los compuestos con la participación de metales raros y de tierras raras (samario, itrio) resultaron ser especialmente prometedores.
Fuente (octubre de 2019)
Como se desprende de este gráfico, horizontalmente es el año del descubrimiento de las propiedades superconductoras en la sustancia, y verticalmente, la temperatura de transición al estado superconductor. Los metales, los compuestos metálicos con semimetales y los no metales están marcados en azul. En esta categoría, se debe prestar atención al niobio (Nb), cuyos compuestos permitieron por primera vez elevar el umbral de superconductividad a la región de 20 K. Los cupratos se muestran en rojo, el más famoso de los cuales es, quizás, YBaCuO (itrio, bario, cobre, oxígeno), el primer compuesto , adquiriendo propiedades superconductoras por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido.
Los compuestos de lantánidos (lantano La y samario Sm) con hierro (Fe) y elementos del grupo nitrógeno (P, As) se muestran en verde, lo que también es lógico, dado que la superconductividad del nitruro de niobio se investigó en 1940.
YBaCuO es tan importante en el contexto de este artículo que ahora se dará una imagen de su estructura cristalina, además de una descripción detallada de esta estructura.
La estructura cristalina de YBa 2 Cu 3 O 7 −δ para (A) δ = 0 (YBa 2 Cu 3 O 7 ), en la que todas las posiciones de oxígeno en los planos basales a lo largo del eje b están ocupadas, y para (B) δ = 1 (YBa 2 Cu 3 O 6) cuando todas estas posiciones no están ocupadas. Se logra un grado intermedio de llenado de oxígeno cuando dicha muestra se enfría en una atmósfera de oxígeno. La estructura cristalina es cuadrangular para δ ≥ 0,6 y ortorrómbica para δ <0,6.
La estructura cristalina de la estructura YBCO es una variación complicada de perovskita que se muestra en la Figura 4. Como se desprende de la figura, la celda unitaria está compuesta por el cubo YBCO YCuO 3 y los cubos superior e inferior adyacentes BaCuO 3, pero al mismo tiempo algunas posiciones de oxígeno permanecen vacías. Las posiciones de oxígeno ubicadas en el mismo plano horizontal que el átomo de itrio nunca se llenan, por lo que los átomos de oxígeno existentes se desplazan ligeramente hacia el átomo de itrio. La fase ortorrómbica YBa 2 Cu 3 O 7-δ tiene los siguientes parámetros de red: a = 0.382 nm, b = 0.388 nm yc = 1.168 nm, cuando el valor δ es muy pequeño. El contenido de oxígeno en YBCO determina su estructura cristalina y la frecuencia de los agujeros en los planos de CuO2. En δ = 1, el compuesto (YBa 2 Cu 3 O 6) . δ = 0,4 , Y-Ba-Cu-O . Tc 92 K δ ≈ 0,06, , , . , δ < 0,06 Tc , , CuO2 .La formación de la fase cuadrangular se observa a temperaturas en el rango de 700 a 900 ° C, y la fase ortorrómbica se forma cuando la fase cuadrangular se enfría lentamente en una atmósfera de oxígeno a una temperatura de aproximadamente 550 ° C. Durante la transición de la fase cuadrangular a la ortorrómbica, se forman muchos dominios gemelos diferentes, ya que se elimina la tensión de la sustancia. En la fase cuadrangular, los átomos de oxígeno ocupan al azar aproximadamente la mitad de los lugares que se les asignan en los planos basales, durante los cuales se alinean en la dirección b en cadenas de Cu-O que surgen en la fase ortorrómbica. Debido a esto, en la fase ortorrómbica, las posiciones para los átomos de oxígeno se desocupan en la dirección a, lo que posteriormente conduce a una ligera compresión de la celda unitaria de tal manera que a <b. La contribución a la superconductividad se realiza como planos CuO 2 y cadenas de CuO presentes en la fase ortorrómbica.
La parte más importante del pasaje anterior está en negrita. De hecho, la superconductividad y la repulsión del campo magnético están asociadas no solo y no tanto con la temperatura del material como con la estructura atómica de su red. YBCO puede ser tanto un superconductor como un aislante; sus propiedades dependen de las posiciones de los átomos de oxígeno en la red cristalina.
Fenómenos similares hacen posible lograr la superconductividad en capas de grafeno planas ubicadas lo más cerca posible una de la otra. Cuando gira una capa de grafeno en relación con la otra en el llamado " ángulo mágico"(Aproximadamente 1,1 grados) aparece superconductividad; sin embargo, a temperaturas muy bajas, del orden de –269 ° C. Más detalles sobre las propiedades superconductoras del grafeno se describen en el material " Superconductor de grafeno plano. Estudio de zonas planas "en Habré.
Por lo tanto, una forma prometedora de buscar sustancias superconductoras conduce a estudios de compuestos exóticos de metales con no metales. Tan pronto como se convenció, los hidruros metálicos entran en un estado superconductor a temperaturas incluso más altas que los nitruros. Al mismo tiempo, observamos que la temperatura de dicha transición puede elevarse no solo mediante una ingeniosa selección de conexiones, sino también aumentando la presión.
Hasta aproximadamente 2015, los cupratos dominaron indudablemente el liderazgo de superconductores de temperatura cada vez más alta, y el HgBa 2 CuO 4 + δ , (mercurio-bario-cobre-oxígeno) sintetizado en 1993, tenía el récord absoluto, pasando a un estado superconductor a una temperatura de 164 K o - 109 ° C. Pero en 2015 se descubrió que a una temperatura de 203 K (solo -70 ° C), el sulfuro de hidrógeno H 2 S entra en un estado superconductor ; sin embargo, dicha transición requiere una presión de 1,5 millones de atmósferas, lo que prácticamente excluye la posibilidad de utilizar sulfuro de hidrógeno como superconductor. Sin embargo, este descubrimiento dio lugar a la búsqueda de superconductividad en hidruros.
En mayo de 2019, se confirmó la superconductividad del hidruro de lantano (LaH 10 ) a una temperatura de -23 ° C; a esta temperatura y presión de aproximadamente 2 millones de atmósferas, el hidruro de lantano se deshizo de su campo magnético.
En noviembre de 2019 se obtuvo hidruro de torio ThH 10 , en el que se produce la superconductividad a una temperatura de –112 ° C y 1,7 millones de atmósferas. Los especialistas de Skoltech Artem Oganov e Ivan Troyan desempeñan un papel clave en este logro.
Finalmente, en octubre de 2020, la Universidad de Rochester logró lograr la superconductividad en hidruro de azufre carbonoso a una presión de alrededor de 2,6 millones de atmósferas y a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente: 15 grados centígrados.
Entonces, hay dos formas en que la ciencia se está acercando a la superconductividad de alta temperatura relativamente barata y factible:
experimentamos con cupratos a presión atmosférica, logrando gradualmente un aumento de Tc a una congelación moderada, hasta aproximadamente 200 K (-73 ° C).
Estamos experimentando con hidruros, que ya han permitido obtener superconductividad a temperatura ambiente y estamos tratando de reducir la presión de millones de atmósferas a una aceptable.
Por supuesto, es necesario mencionar la tercera forma, a saber, el uso de compuestos de boro. En la esquina derecha de la tabla cronológica anterior está el diboruro de magnesio MgB 2 .
Se obtiene sinterizando sustancias simples (boro y magnesio) y ya se utiliza en la construcción de tomógrafos como sustituto de las aleaciones de niobio-titanio. La temperatura crítica de esta sustancia es de –39 K, es decir, es significativamente más alta que la de los compuestos superconductores de niobio. Los experimentos con superconductores basados en boro continúan (una vez más, haremos una reserva de que esta clase de sustancias logra superconductividad a presión atmosférica normal), y uno de los materiales que contienen boro más prometedores es BSiC 2 , un artículo sobre el cual se ha publicadoen marzo de 2020. De acuerdo con los cálculos teóricos, debe llegar T c a una temperatura de alrededor de 73.6 K, y su relacionada, más estable compuesto BC 3 a temperaturas de aproximadamente 40 K.
Hay hipótesis prudentes, según el cual el hidrógeno metálico puro puede ser un superconductor ideal que opera a temperatura ambiente. Además, según el esquema que figura en el artículo "Hidruros superconductores a presión" publicado el 26 de septiembre de 2019, el hidrógeno metálico sólido podría mantener propiedades superconductoras hasta temperaturas superiores a 750 K, es decir, hasta casi 500 grados centígrados. Por otro lado, esto requeriría una presión colosal: más de 400 GPa.
Un enfoque, presumiblemente permitiendo reducir la presión para obtener superconductividad con la participación de hidrógeno, para experimentar con compuestos de hidrocarburos que estarán saturados al máximo con átomos de hidrógeno, y el carbono proporcionará fuertes enlaces electrónicos, lo que potencialmente permitirá que el material permanezca intacto incluso cuando se libera la presión. Sin embargo, los experimentos con compuestos que incluyen carbono, hidrógeno y azufre aún no dan el resultado deseado, probablemente porque entran en juego los efectos de la mecánica cuántica entre átomos, que aún no se han tenido en cuenta.
En este punto, la revisión podría haber terminado con un tímido "bueno, obtengamos hidrógeno metálico, luego hablaremos", pero lo terminaremos de manera diferente.
Artem Oganov e Ivan Troyan, que fueron mencionados anteriormente en relación con su superconductividad descubierta de hidruro de torio, así como el estudiante de posgrado Dmitry Semenok de Skoltech y Alexander Kvashnin de MIPT desarrollaron el algoritmo evolutivo USPEX. Este algoritmo hace que sea posible predecir el logro de la temperatura T c en una estructura cristalina particular, dependiendo de la posición de sus elementos constituyentes en la tabla periódica. Se proporciona una descripción detallada del algoritmo Uspex aquí . En la actualidad, está previsto entrenar una red neuronal para reconocer estas dependencias y buscar conexiones que permitan llevar la presión que proporciona la superconductividad de alta temperatura a valores aceptables.
Es de esperar que el éxito de este equipo esté muy cerca.