Superconductividad

Estado del arte: Superconductividad Dr. Carlos Acha Lab. de Bajas Temperaturas Depto. 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 o C)
En 1911 descubre la superconductividad.
Su tesista Gilles Holst mide R(T) del Hg puro . R = 0
1913 Premio Nobel Qué es la superconductividad ?

La resistencia eléctrica (el modelo de Drude: gas de electrones) Estructura cristalina de un sólido Gas de electrones libres no interactuantes en una estructura periódica sin imperfecciones Conducción infinita Hay resistencia eléctrica por los defectos de la red cristalina Y Ba Cu O V: voltaje (V) I: corriente (A) R: resistencia (  ) Potencia disipada = I 2 R (Watt, kiloWatt) E =  J , V = R I R ~   m/ [n   ro + A T dV= E dL I I L

Qué esperaban medir? T  T c R = 0 !!!!

Superconductores de baja Tc Mater. Tc (K) Al 1.19 Sn 3.72 Hg 4.15 Pb 7.20 Ta 3 Pb 17 V 3 Si 17.1 Nb 3 Al 18 Nb 3 Sn 18.1 Nb 3 Si 19 Nb 3 Ge 23.2

Walter Meissner y Robert Ochsenfeld muestran 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 perfecto

T  T c, H ap Del experimento de Meissner y Oschenfeld se deduce que la Superconductividad es más que R=0 Un diamagneto perfecto FC ZFC

(Fritz y Heinz London, 1935)  L ~ 300nm B= B 0 exp(-x/  L ) E = ( 4  / c)  2 L dJ/dt Ecuación de London ( E =  J para un conductor) Una nueva ecuación constitutiva

Diagrama de fases Hc - Tc Long. penetración de corrientes:   0.3  m

La validez de una teoría: en 1957, Abrikosov predice la existencia de otros superconductores y los llama de Tipo II  como varía H ,  como varía  Tipo I energía de pared + Tipo II energía de pared - Según  /  se tiene que: Ha N S    (r) h(r) Premio Nobel en 2003

Primera imagen de la red de vórtices, U. Essmann and H. Trauble (1967) En 1967 se confirma la predicción de Abrikosov (basada en la teoría de GL) Predic. teóricas confirmadas experimentalmente Líneas de B “reveladas” con limadura de Fe Red de vórtices  = hc/e* = hc/2e

Diagrama de fases H-T para los superconductores “ Tipo-I” “ Tipo-II”

Creep flow flux motion probed by STM on a pristine NbSe2 crystal. A.M.Troianovski, J.Aarts and P.H.Kes Leiden University . After setting the magnetic field from 0 to 0.6T. Scanning area is about 230x355 nm . Imagen magneto-óptica Grupo del Dr. Johansen Oslo – Noruega “ visualización de avalanchas Con forma dendrítica” Observando vórtices en la actualidad

En 1957 los físicos americanos: John Bardeen, Leon Cooper, John Schrieffer publican la Teoría BCS, describe la superconductividad Una teoría para la superconductividad Premio Nobel en 1972

+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 atraen (S = 0, bosón) (m*=2m y e*=2e) 2 electrones se atraen formando un par de Cooper T < 30 K

Un gran descubrimiento (1986): cupratos superconductores de alta Tc Alex Müller y Georg Bednorz, de IBM Research Laboratory en Suiza con una Tc = 30 K Período de mucha efervescencia en la comunidad de materia condensada! Premio Nobel en 1987

Temperatura crítica de compuestos superconductores Nitrógeno líquido (77 K) (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) HgBa2Ca2Cu3O8 TmBa2Cu3O7 GdBa2Cu3O7 YBa2Cu3O7 Y2Ba4Cu7O15 Yb0.9Ca0.1Ba1.8Sr0.2Cu4O8 YbBa1.6Sr0.4Cu4O8 135- 138 K 90 - 101 K 94 K 93 K 93 K 86 K 78 K 166 K con presión Récord actual (2005)

Evolución de Tc con los años MgB2 Hole doped C60 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 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
Capacidad de transportar grandes densidades
de corriente eléctrica sin disipación
Generación de campos magnéticos intensos, por
encima 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 superconductores Corte de un cable Multifilamentario de NbSn Corriente crítica en función del campo 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 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 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 Transformadores

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

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

Standard de 1 Volt. 3020 junturas en serie. La aplicación de I ac de frecuencia f genera V = h f / 2e  483.6 MHz /  V Se utiliza desde 1977 Junturas Josephson en serie Patrones de voltaje

Juguetes ($$$) Ejemplo: Modelo de tren levitado

Muchas gracias por su atención

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https://sicuaplus.uniandes.edu.co	12
http://portal.educ.ar	2
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Superconductividad

by mayrabotta on Jul 05, 2007

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