Estado del arte: SuperconductividadEstado del arte: SuperconductividadDr. Carlos Acha

Lab. de Bajas TemperaturasDepto. de Física - FCEyN - UBA

- Cómo la tecnología permitió acceder a nuevos mundos- Construcción de modelos a partir de resultados experimentales- Validación de modelos a partir de resultados experimentales- Ciencia básica y tecnología- Ciencia: conocimiento en evolución permanente

• En 1908 Kammerling Onnes licua gas Helio en Leiden, Holanda. Primer acceso a 4.2 K (- 268.8 oC)

• En 1911 descubre la superconductividad.

Su tesista Gilles Holst mide R(T) del Hg puro. R = 0

1913 Premio Nobel

Qué es la superconductividad ? Qué es la superconductividad ?

La resistencia eléctricaLa resistencia eléctrica(el modelo de Drude: gas de electrones)(el modelo de Drude: gas de electrones)

Estructura cristalina de un sólido

YBaCuO

V: voltaje (V) I: corriente (A) R: resistencia ()Potencia disipada = I2 R (Watt, kiloWatt)

E = J , V = R I

R ~ m/ [n ro + A T

dV= E dL

I I

L

Gas de electrones libresno interactuantes en unaestructura periódica sinimperfecciones

Conducción infinita

Hay resistencia eléctricapor los defectos de la red cristalina

Qué esperaban medir?Qué esperaban medir?

T Tc

R = 0 !!!!

Superconductores de baja TcSuperconductores de baja Tc

Mater. Tc (K)Mater. Tc (K)

Al 1.19 Sn 3.72 Hg 4.15Pb 7.20

Ta3Pb  17 V3Si 17.1 Nb3Al 18 Nb3Sn 18.1 Nb3Si 19 Nb3Ge 23.2

Walter Meissner y Robert Ochsenfeldmuestran que los SC expulsan el camp

magnético de su interior (1933)

SC

imán

líneas de campo magnético

Es un estado termodinámico, no importa la historia

Un diamagneto perfectoUn diamagneto perfecto

FCZFC

T Tc,

Hap

Del experimento de Meissner y Oschenfeldse deduce que la Superconductividad es más que R=0la Superconductividad es más que R=0

Un diamagneto perfectoUn diamagneto perfecto

(Fritz y Heinz London, 1935)

L~ 300nm

B= B0 exp(-x/ L)E = (4/c) 2L dJ/dt

Ecuación de London

B

B = 0

(E = J para un conductor)

Una nueva ecuación constitutivaUna nueva ecuación constitutiva

E stad oM eissn e r

E stad oN o rm al

H

T

HC 1

Tc

E stad oM ix to

E stad oN o rm al

E stad oM eissn e r

H

T

HC 2

HC 1

Tc

Diagrama de fasesDiagrama de fasesHc - TcHc - Tc

Long. penetraciónde corrientes: 0.3 m

La validez de una teoría: en 1957, Abrikosov predice la existencia de otros superconductores y los llama de Tipo II

Ha

N S

(r)

h(r)

como varía H , como varía

Tipo I energía de pared +Tipo II energía de pared -

Según / se tiene que:

Premio Nobel en 2003

Primera imagen de la red de vórtices, U. Essmann and H. Trauble(1967)

Líneas de B “reveladas” con limadura de Fe

En 1967 se confirma la predicción de En 1967 se confirma la predicción de AbrikosovAbrikosov (basada en la teoría de GL) (basada en la teoría de GL)

Predic. teóricas confirmadas experimentalmentePredic. teóricas confirmadas experimentalmente

Red de vórtices

B

FL

J

= hc/e* = hc/2e

Diagrama de fases H-T para los superconductores Diagrama de fases H-T para los superconductores

“Tipo-I” “Tipo-II”

E stad oM eissn e r

E stad oN o rm al

H

T

HC 1

Tc

E stad oM ix to

E stad oN o rm al

E stad oM eissn e r

H

T

HC 2

HC 1

Tc

Creep flow flux motion probed by STM on a pristine NbSe2 crystal.A.M.Troianovski, J.Aarts and P.H.KesLeiden University. After setting the magnetic field from 0 to 0.6T.

Scanning area is about 230x355 nm.

Imagen magneto-ópticaGrupo del Dr. JohansenOslo – Noruega“visualización de avalanchasCon forma dendrítica”

Observando vórtices en la actualidadObservando vórtices en la actualidad

En 1957 los físicos americanos: John Bardeen, Leon Cooper, John Schrieffer publican la Teoría BCS, describe la superconductividad

Premio Nobel en 1972

Una teoría para la superconductividadUna teoría para la superconductividad

+La interacción mediada por “fonones” produce el apareamiento de dos electrones (la temperatura “borra” esta interacción)

+Los electrones conforman un estado colectivo que no puede romperse al chocar con las imperfecciones de la red cristalina

+ Gracias a esta teoría se pudieron explicar resultados experimentales ligados al calor especifico, efecto túnel, etc..

Teoría BCS: los electrones se atraenTeoría BCS: los electrones se atraen

(S = 0, bosón)

(m*=2m y e*=2e)

2 electrones se atraen formando un par de Cooper

T < 30 KT < 30 K

Un gran descubrimiento (1986):Un gran descubrimiento (1986):cupratos superconductores de alta Tccupratos superconductores de alta Tc

Alex Müller y Georg Bednorz, de IBM Research Laboratory en Suiza con una Tc = 30 K

Premio Nobel en 1987

Período de mucha efervescencia en la comunidad de materia condensada! Período de mucha efervescencia en la comunidad de materia condensada!

(Sr,Ca)5Cu4O10 Pb2Sr2YCu3O8 GaSr2(Y, Ca)Cu2O7 (La,Sr,Ca)3Cu2O6 (Eu,Ce)2(Ba,Eu)2Cu3O10+ La1.85Sr0.15CuO4 (La,Ba)2CuO4 (Nd,Sr,Ce)2CuO4 Pb2(Sr,La)2Cu2O6 La1.85Ba.15CuO4  

 70 K  70 K  70 K  58 K  43 K  40 K 35-38 K  35 K  32 K  30 K   (Primero descubierto 1986)

Temperatura crítica de compuestos superconductoresTemperatura crítica de compuestos superconductores

HgBa2Ca2Cu3O8TmBa2Cu3O7 GdBa2Cu3O7 YBa2Cu3O7 Y2Ba4Cu7O15 Yb0.9Ca0.1Ba1.8Sr0.2Cu4O8 YbBa1.6Sr0.4Cu4O8

135-138 K90 - 101 K    94 K  93 K    93 K  86 K   78 K

166 Kcon presión

Récord actual(2005)

Nitrógeno líquido (77 K)

Evolución de Tc con los añosEvolución de Tc con los años

MgB2

Hole doped C60

1900 1950 20000

50

100

150 Tradicionales HTCS

Tc [ K ]

año

LN

LHe

Récord: 166 K en un compuesto de Hg bajo presión (M. Monteverde, Carlos Acha, M.Nuñez Regueiro, et. al.)

Bajo Presión

•Mucho esfuerzo puesto en el área de las aplicaciones

Estado actual de las investigacionesEstado actual de las investigaciones

•Si bien no parece existir un impedimento para lograr una Tc a temperatura ambiente, parecen haberse agotado los caminos para lograrlo con estos materiales

•No existe un modelo teórico que explique la superconductividad de alta Tc

Algunas Aplicaciones Algunas Aplicaciones

Capacidad de transportar grandes densidades de corriente eléctrica sin disipación

Generación de campos magnéticos intensos, porencima de los valores de saturación del hierro y mantenidos indefinidamente sin consumo de energía

Necesidad de ser enfriados y mantenidos por debajo de su temperatura crítica (Tc )

Uso de las propiedades particulares del estado superconductor: efecto Josephson

Tecnología en cables superconductoresTecnología en cables superconductores

Corte de un cableMultifilamentario de NbSn

Corriente crítica en función delcampo magnético

Diagnósticos por imágenes con Resonancia Magnética : Ya se usan en muchos centros de salud para obtener imágenes de tejidos blandos. El paciente se recuesta en una camilla que debe introducirse dentro del imán. La bobina superconductora produce campos magnéticos intensos y muy estables que determinan la calidad de las imágenes.

Bobinas en equipos de RMNBobinas en equipos de RMN

Pueden aumentar la capacidad de transmisión del conexionado convencional de 3 a 5 veces, sin requerir la excavación de nuevos conductos subterráneos

3000 A con 30 m largo desde febrero de 2000 en Oak Ridge

Cables en líneas de potenciaCables en líneas de potencia

Ofrecen una alternativa altamente eficiente, compacta y liviana frente a los actuales transformadores refrigerados por aceite. 5/10-MVA Alpha prototype en construcción 25 kV/4.2 kV , mas eficiente, menor contaminación ambiental, enfriado por ciclo cerrado

TransformadoresTransformadores

Protegen líneas de transmisión, cables y equipamiento de picos de corriente producidos por eventuales cortocircuitos, tormentas eléctricas o fluctuaciones de línea . Las bobinas superconductoras utilizadas en el diseño controlan el pico de corriente durante un dado intervalo permitiendo que accione la llave de corte.

Limitadores de fallas de corriente Limitadores de fallas de corriente

Construidos con alambre de un SAT (BSCCO). Las bobinas serán utilizadas en generadores de alta eficiencia y bajo costo.

Motores y generadores Motores y generadores

En 1990 se lanzó como proyecto nacional japonés. En abril de 1997 se inauguró una nueva línea en Yamanshi . Ese año el MLX01 con 3 vagones marcó el record de 531 km/h. En abril 14, 1999, se creó el nuevo record de 552 km/h.

Desde el 2003 también funciona un Maglev que une la ciudad de Shanghai con su aeropuerto internacional (430 km/h).

Motor lineal y frenosaerodinámicos

Trenes levitados magnéticamente (MAGLEV)Trenes levitados magnéticamente (MAGLEV)

Neuromag Ltd. 122 sensor array

Mide el campo B generado por el cerebro, 1 billón de veces menor que el campo terrestre. Variaciones inducen corriente en una bobina conectada a un SQUID. Cuesta varios 10 6 u$a No es anatómico sino funcional, en tiempo real.

Magnetoencefalografía (MEG)Magnetoencefalografía (MEG)

Standard de 1 Volt. 3020 junturas en serie. La aplicación de Iac de frecuencia f genera

V = h f / 2e 483.6 MHz / V

Se utiliza desde 1977

Junturas Josephson en serie

Patrones de voltajePatrones de voltaje

Juguetes ($$$)Juguetes ($$$)

Ejemplo: Modelo de tren levitado

Muchas graciaspor su atención