Aplicaciones de los materiales cerámicos superconductores de alta

Aplicaciones de los materiales cerámicos superconductores de alta temperatura crítica
11.
low field diamagnetic properties: a multiharmonic analysis. Physica
C, 167 (1990), 549-559.
12
13.
pinning in HTSC sintered ceramics: Universal scaling laws. Enviado
aICM'91.
NAVARRO, R . , LERA, F., RILLO, C . y BARTOLOMÉ, J . : YBa2Cu307_5
14.
BEAN, C . P.: Magnetization of hard superconductors. Phys. Rev. Letters, 8 (1962), 250-252.
LERA, F., NAVARRO, R . , RILLO, C , ANGUREL, L . A., BADI'A, A. y
BARTOLOMÉ, J.: Critical state models for inter and intragranular flux
SÁNCHEZ, A. y CHEN, D . X.: Exponential critical-state modelfitfor
intergranular ac susceptibility of sintered high-T^ superconductors.
A publicar en «Susceptibility of superconductors and other spin
systems», ed. T. Francavilla, R. A. Hein and D. Liebenberg- Plenum Press (1991).
BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. 30 (1991) 5, 407-413
Aplicaciones de los materiales cerámicos superconductores
de alta temperatura crítica
C. RILLO
Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón, C.S.LC. Universidad de Zaragoza, 50009 Zaragoza
RESUMEN.—Aplicaciones de los materiales cerámicos superconductores de alta temperatura crítica.
ABSTRACT.—Applications of high T^. superconductor
ceramics.
El descubrimiento de los materiales cerámicos superconductores de alta temperatura crítica (SAT) con T^-IOO K ha
abierto nuevas perspectivas de aplicación de la superconductividad en muchas áreas, incluyendo la electrónica. Al pasar la
temperatura de operación del rango del helio líquido al del nitrógeno, los costes de refrigeración se reducen varios órdenes
de magnitud. A pesar de la naturaleza granular y otros problemas específicos de los SAT, y tan solo cinco años después de
su descubrimiento, los cables superconductores y dispositivos
basados en películas delgadas son una realidad. En este trabajo se revisa el estado actual de las aplicaciones a gran y pequeña escala de los SAT.
The discovery of High-T^ ceramic superconducting (HTS)
copper oxides with T^ « 100 K have opened new prospects for
applications of superconductors in many areas including electronics. In fact the new materials allow one to increase the operation temperatures of superconductor devices from the helium
range to the nitrogen range where refrigeration costs can be
decreased by several orders of magnitude. In spite of the
granular nature and of other specific problems of the HTS
materials, and only five years after their discovery, superconducting cables and thin film devices have been already realized. This paper reviews the present state of HTS large and small
scale applications.
1.
tallamiento electromagnético; patrones de voltaje; sensores SQUID;
sensores de infrarrojos; dispositivos de microondas y procesamiento
analógico de señales. A más largo plazo se consideran aplicaciones a gran escala como: cavidades de microondas; líneas de transmisión de potencia; imanes superconductores; motores superconductores y vehículos de levitación; y en el campo de la electrónica
ordenadores superconductores.
En este trabajo, tras un breve resumen de las propiedades básicas de interés tecnológico de los materiales superconductores en
general, y de las específicas de los SAT (apartados 2 y 3 respectivamente), se presenta una revisión de las perspectivas de aplicación actuales a gran escala (apartado 4). En el apartado 5 se recogen algunos de los resultados más recientes en el campo de las
aplicaciones a pequeña escala.
INTRODUCCIÓN
El descubrimiento de materiales superconductores a temperaturas superiores a la del nitrógeno líquido, ha sido una de las realizaciones científicas más importantes de la última década. Aunque todavía no existe una teoría general que explique su aparición y falten
experimentos clave que puedan guiar la teoría, el conjunto de resultados existente permite afirmar que son superconductores tipo II
de alta anisotropía y con portadores superconductores convencionales (pares de Cooper). Algunos investigadores han publicado resultados que indicarían la existencia de fases superconductoras a
temperaturas próximas a la ambiente; sin embargo estos resultados no han sido nunca reproducibles a temperaturas superiores a
110 K.
La ventaja más importante de los superconductores de alta temperatura crítica (SAT) es la necesidad de nitrógeno líquido en vez
de helio líquido, con la consiguiente reducción de los costes de refrigeración en más de cuatro órdenes de magnitud (1). Por ello,
las posibilidades de aplicación de estos materiales en tecnología eléctrica y electrónica son muy altas. Sin embargo, su naturaleza (óxidos cerámicos cuaternarios), está requiriendo grandes esfuerzos de
ingeniería de materiales antes de obtener producciones masivas para
aplicaciones de potencia, o de disponer de películas delgadas para
aplicaciones en dispositivos electrónicos.
Las aplicaciones que se están considerando son, mayormente,
continuación de las desarrolladas con superconductores clásicos.
Probablemente las más inmediatas son las de pequeña escala: apanSEPTIEMBRE-OCTUBRE, 1991
2.
2.1.
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
SUPERCONDUCTORES
Resistencia cero y temperatura crítica
En 1911, Kamerlingh Onnes observó que la resistencia eléctrica
del Hg se hacía indétectable por debajo de 4,2 K (figura la) descubriendo la superconductividad: Por debajo de una determinada temperatura. Te llamada temperatura crítica, la corriente puede fluir
a través del material sin pérdida de potencia. Inmediatamente comenzó una búsqueda de materiales con fase superconductora y desde
407
C. RILLO
ductor, tras enfriarlo por debajo de T^, se le aplica un campo magnético, éste no penetra en el interior. Mientras que la exclusión de
0.008 flujo la presentaría también un conductor perfecto, la expulsión de
flujo, o efecto Meissner, es una propiedad única de los supercon0.006
ductores.
Ba-La-Cu-0
: Hg
Dependiendo de su comportamiento frente a campos magnéticos,
los materiales superconductores se clasifican en los llamados
0.00.
".
de tipo I y tipo II. Los de tipo I presentan efecto Meissner para
• 2.5 A/em^
campos magnéticos inferiores a un valor crítico H^,(T), T<T^.
• 0.5 A/cm^
o.ooz
mientras que a campos superiores el material deja de ser supercon•r
ductor. Los superconductores tipo I presentan pocas aplicaciones
lO'^Ohms
prácticas dado que los campos críticos son bajos (unos pocos cien\J4.20k 4.30. 4.40
0
10
20
30
40
50
tos de Oe).
T(K)
T(K)
A diferencia, los superconductores tipo II presentan decto MeissFig. 1.—Grújicas'de resistencia frente a temperatura de: a) Hg obtenida
ner hasta valores inferiores a un campo crítico inferior H^. Por
por Kamerlingh Onnes en 1911; b) Ba-La-Cu-O obtenida por Bednorz y encima de H^ el material deja de ser homogéneo, permite la enMüller en 1986.
trada de flujo magnético, y sigue siendo parcialmente superconductor hasta un campo crítico superior Hc2, que puede alcanzar decenas de tesla. Entre Hd y 11^2, el material se encuentra en estado
mixto con regiones superconductoras. Mientras que los campos críticos superiores de las aleaciones superconductoras clásicas se enentonces, se ha observado su aparición en muchos metales y aleacuentran entre 14 T (Nb-Ti) y 23 T (Nb-Sn), a 4,2 K, los valores
ciones. Hitos en este desarrollo fueron: 1) El descubrimiento de
correspondientes
a Y-Ba-Cu-O son del orden de 100 T (4). Los
superconductividad en Nb (1930) con 7^=9,2 K (la más elevada
SAT han puesto de manifiesto la existencia de un campo de irreen un elemento puro). 2) En 1973 se obtuvo una aleación de Nbversibilidad H,,,, Hc,<H¡rr<Hc2 (figura 3) (5), por encima del
Ge superconductora con Tc=23,3 K (la más elevada en metales
cual la imanación es reversible, y hay disipación de potencia cuany aleaciones). 3) Bednorz y Müller (1986) revolucionaron el camdo pasa una corriente eléctrica.
po de la superconductividad al detectar propiedades superconductoras en óxidos metálicos (materiales cerámicos) de Ba-La-Cu-O
4nM
por encima de la barrera de 23,3 K (figura Ib) (2). 4) A principios
de 1987, cerámicas de la familia del Y-Ba-Cu-O dieron valores de
Te por encima de la temperatura de nitrógeno líquido (3), lo que
revolucionó la comunidad científico-técnica despertando viejos sueños de aplicaciones.
Una regla general en el desarrollo de aplicaciones de los superconductores es que la temperatura de trabajo debe ser igual o inferior a 3/4 Te (4). Por debajo de esta temperatura las restantes propiedades de interés tecnológico, como el campo magnético crítico
o la corriente crítica, presentan valores del orden de 1/2 y 1/4 del
límite de baja temperatura respectivamente, aceptables desde un
punto de vista aplicado. Teniendo en cuenta esto, para que un material superconductor sea aplicable a temperatura de nitrógeno líquido, es suficiente con T^ « 100 K. Para aplicaciones a temperaFig. 3>.—Curva de imanación frente a campo, 4TM(H), de un supercontura ambiente será necesario alcanzar T„ » 400 K.
ductor tipo II a T< T^. Por debajo de H^¡ el superconductor presenta efecto
Meissner (B=4TrM+H=0). Entre H^j y H^2 ^^ rnaterial está en estado mixto (penetración parcial delflujomagnético en forma de tubos deflujo).Por
encima de //,y^ los tubos de flujo se mueven libremente, por lo que el ma2.2. Efecto Meissner, corrientes y campos críticos
terial no soporta corriente eléctrica. Por encima de H^2 ^^ rnaterial está
en estado normal.
Cuando un superconductor se enfría por debajo de T^, en presencia de un campo magnético, el flujo magnético es expulsado de
su interior (figura 2) lo que en honor a su descubridor (1933) se
denomina efecto Meissner. A su vez, si a un material superconPara una temperatura dada y un campo aplicado, la corriente máxima que puede circular por el material superconductor es la densidad de corriente crítica J^. Para aplicaciones prácticas, a gran escala, se precisan valores de 10^ A/cm^ en presencia de campos
magnéticos de hasta 5 T. Para aplicaciones a pequeña escala (microelectrónica) la densidad de corriente crítica requerida es de 10^
A/cm^ en ausencia de campo. Los valores más altos de densidad
de corriente crítica, medida inductivamente, en materiales cerámicos de Y-Ba-Cu-O son 10"^ A/cm^ a 4,2 K y 6 T, y dos o tres órdenes de magnitud inferiores a 77 K (4). Además, las corrientes
críticas de transporte son inferiores a las inductivas debido a la naturaleza granular de estos materiales (6). En consecuencia, para
aplicaciones prácticas, las uniones entre granos han de mejorarse.
(a
)
^ i
(b)
.-T:**. • ' w .4 . ,
•> 7 5 A / c m ^
—1
T>Tc, Ha = Ho
T < Te, Ha =
HQ
2.3.
Cuantifícación del flujo magnético
Fig. 2.—Representación esquemática del efecto Meissner de un material
Cuando un anillo superconductor se enfría en presencia de un
superconductor cuando es enfriado por debajo de T^ en presencia de un
campo magnético, en el instante de atravesar T^ el flujo es expulcampo aplicado H^=HQ.
408
BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. VOL. 30 - NUM. 5
Aplicaciones de los materiales cerámicos superconductores de alta temperatura crítica
sado del anillo. Al mismo tiempo el flujo magnético en el interior
del anillo se ajusta a un valor igual a un número entero de veces
el cuanto de flujo $o=2,06x 10~'^ • Tm^. Además, si se elimina
el campo magnético aplicado, el flujo dentro del anillo no cambia
(figura 4). <í>o es una cantidad extremadamente pequeña (el campo magnético terrestre, que es del orden de 0,4 Oe, produce, en
una espira de 1 cm^, un flujo de 2xl0^<í>o).
T > Tj., Ha = Hfl
T<Tc, Ha = 0
T < T c , Ha=ílo
Los SAT se sintetizaron primeramente en forma de materiales
cerámicos con granos de tamaño y orientación diversos. Las corrientes críticas, de 1 a 10^ A/cm^, y los campos críticos inferiores, de unos pocos Oe, estaban determinados por los débiles contactos entre los cristales orientados aleatoriamente, en lugar de por
las propiedades intrínsecas (11). Esto hacía impensable la aplicación práctica de estos superconductores. Afortunadamente se han
preparado ya materiales masivos orientados con buenos contactos
entre granos y películas delgadas con crecimiento epitaxial, que
presentan corrientes críticas suficientes para primeras aplicaciones.
En la tabla I se presentan los valores de T^, de la longitud de
coherencia ¿, de la longitud de penetración X, y de la densidad de
corriente crítica de Ginzburg-Landau JQL, de YBa2Cu307_3 en los
planos ab y en la dirección c a 77 K. Por comparación se dan también los valores para Nb a 4,2 K. Los valores más altos de densidad de corriente crítica obtenidos experimentalmente en películas
delgadas, son dos órdenes de magnitud inferiores a JGL, posiblemente debido a defectos en la superficie (1).
Fig. A.—Representación esquemática de la cuantificación del flujo magnético en un anillo superconductor cuando es enfriado por debajo de t^ en
presencia de un campo aplicado H^=HQ. Aunque se elimine H^ el flujo en
el interior del anillo no cambia.
PARÁMETROS BÁSICOS DE UN SAT (YBA2Cu307_5 a 77 k),
FRENTE A LOS DE UN SUPERCONDUCTOR CLASICO
(Nb a 4,2 K)
2.4. Efecto Josephson
Si se unen dos superconductores a través una «unión débil» (barrera aislante, contacto puntual, etc.) (figura 5a) el conjunto puede comportarse como superconductor debido al efecto túnel en el
paso de pares de electrones a través de la unión. Este efecto fue
descubierto por Brian Josephson en 1962 (7).
Las características I-V de las uniones Josephson (8) permiten la
fabricación de puertas lógicas de alta velocidad de conmutación,
de gran interés en el campo de la microelectrónica. Sin embargo,
el desarrollo de ordenadores basados en dispositivos superconductores de baja temperatura no ha prosperado.
La combinación de las propiedades de anillos superconductores
y uniones Josephson ha dado lugar a dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID) (figura 5b) que son los sensores de campo magnético más sensibles en la actualidad (9). Los
detectores SQUID basados en superconductores clásicos se aplican en biomedicina, investigación básica, diseño de instrumentación de medida de bajo ruido, etc., y pueden adquirirse comercialmente.
^^^
Union Josephí<;n
(b)
/
1
SQUID
Fig. 5.—aj Unión Josephson formada por dos superconductores unidos mediante un material aislante o conductor normal b) «Superconducting Quantum Interference Device (SQUID)» formado por un anillo supercoruiuctor
que contiene una unión Josephson.
3. PROPIEDADES ESPECIFICAS DE LOS SAT
3.1.
Anisotropía
Hasta el momento se han descubierto tres familias de materiales
SAT con T,>77 K: 1) M-Ba-Cu-O, donde M=Y, Nd, La, Sm,
Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, con T , « 85-95 K. 2) Bi-SrCa-Cu-O, con T^,« 85-110 K. 3) Tl-Ca-Ba-Cu-O con T,«120
K (10).
SEPTIEMBRE-OCTUBRE, 1991
TABLA I
Material
y dirección
Te
(K)
(nm)
X(T)
(nm)
JGL(T)
(A/cm^)
Y-Ba-Cu-O ( II ab)
Y-Ba-Cu-O (_L ab)
Nb
95
95
9,25
7
1,5
40
50
250
40
5X10^
1X10^
5X10^
OT)
3.2. Propiedades mecánicas
Los SAT son duros pero muy frágiles. Por ello, la fabricación
de cables superconductores presenta grandes dificultades. Una de
las técnicas que se está utilizando es la fabricación de cables mediante extrusión de polvos cerámicos en tubos de Ag y Cu o fibras
orientadas. Debido a que el último tratamiento térmico de oxidación es el que confiere la fragilidad al material cerámico, éste debe
aplicarse después del bobinado.
Para la fabricación de piezas en aplicaciones como cavidades de
radiofrecuencia, pueden utilizarse las técnicas conocidas de mecanización de materiales cerámicos. El estudio de la adhesión de los
SAT con otros materiales (sustratos), de la resistencia a los ciclos
térmicos, etc., es esencial para las aplicaciones en microelectrónica.
3.3. Estabilidad química
Tanto el agua como el dióxido de carbono degradan a temperatura ambiente los SAT, con la formación de hidróxidos y carbonatos. Por otro lado, el oxígeno abandona fácilmente la estructura
en vacío y a temperatura ambiente. Por todo ello han de aplicarse
técnicas de protección de superficies especialmente en películas
delgadas.
3.4. Efectos de la radiación
En ciertas aplicaciones como la fusión magnética, la sensibilidad a la radiación de los materiales utilizados es extremadamente
importante. Los SAT son más sensibles a la radiación que los superconductores clásicos, pero varios órdenes de magnitud menos
que los semiconductores, por lo que resultan muy interesantes para aplicaciones electrónicas.
409
C. RILLO
3.5. Pérdidas en corriente alterna
4.3. Levitación magnética
Los superconductores convencionales presentan pérdidas en corriente alterna que afectan a aplicaciones como líneas de transmisión de potencia a 50 Hz, o dispositivos para microondas. En los
SAT las pérdidas esencialmente se deben a los fenómenos de histéresis magnética (12) y se reducen sustancialmente al mejorar las
uniones entre los granos y el grado de orientación.
La fabricación de SAT por el método «Melt-Powder-Melt-Growth
(MPMG)» ha permitido aumentar el tamaño de los granos y mejorar las uniones entre ellos y su grado de orientación. Los materiales obtenidos por este método presentan corrientes críticas intergranulares similares a las intragranulares y del orden de 10"^ A/cm^
a 77 K. El campo magnético penetra en el superconductor con un
gradiente dB/dx proporcional a J^., por lo que la fuerza máxima de
levitación es proporcional a J^ y al volumen de material superconductor. Esto explica los espectaculares experimentos de levitación
magnética de imanes permanentes sobre SAT producidos por el método MPMG. Así, el Superconductivity Research Laboratory (ISTEC, Tokio), ha conseguido levitar un total de 120 Kg, soportados por un imán permanente que produce un campo magnético de
2,5 T, sobre un conjunto de 250 pastillas de Y-Ba-Cu-O de 3 cm
de diámetro y 1,5 cm de espesor cada una, enfriadas con nitrógeno
líquido (16). Los vehículos de levitación basados en SAT pueden
ser una realidad a largo plazo.
4. APLICACIONES A GRAN ESCALA
4.1. Bobinas de campo intenso y/o muy estable
Con los superconductores clásicos (Nb-Ti, Nb-Sn) se han fabricado bobinas superconductoras para aplicaciones científicas (medidas físicas en campos intensos de hasta 20 T, fusión nuclear),
médicas (imágenes por RMN con bobinas de 1,5 T muy estables)
e industriales (separación magnética en minas y plantas industriales, motores de gran relación potencia/peso)
La fabricación de bobinas con SAT requiere la obtención de cables multifilamentares de calidad. Estas podrían sustituir a las bobinas clásicas en algunas aplicaciones científicas e industriales, en
las que el coste principal es el sistema de generación de campo magnético. Sin embargo, en los complejos sistemas RMN de medicina
no serán competitivas a medio plazo, dado el alto costo del resto
de la instrumentación.
A pesar de las enormes dificultades técnicas que entrañan los SAT
a la hora de fabricar cable flexible con elevada corriente crítica,
y, tan solo cinco años después de su descubrimiento, se han conseguido ya resultados prometedores.
Así, la Compañía General Atomics ha producido fibras de SAT
(Tierra Rara-Ba-Cu-O) de 1.000 m de longitud y 0,3 mm de diámetro en matriz de Cu (13). Con ellas ha fabricado hasta 20 m de
cable superconductor de 0,9 mm x 5,7 mm de sección formado
por doce filamentos. La corriente crítica a campo nulo y 50 K es
superior a 10 A, lo que corresponde a densidades de corriente crítica de 5.000 A/cm^. Esta se reduce en un factor 10 bajo campos
de unas pocas décimas de tesla. Con el cable pueden construirse
espiras de 15 cm de diámetro sin que se reduzca la corriente crítica. La previsión de la compañía para finales de 1991 es la fabricación de kilómetros de cable multifilamentar con densidades de corriente crítica de 2x10^ A/cm^.
La Empresa Sumitomo ha fabricado cable de Bi-Sr-Ca-Cu-O
(2:2:2:3) medante estrusión de polvo cerámico en tubo de Ag (14).
Con él ha construido una bobina capaz de generar un campo magnético de 1 T a 4,2 K. Actualmente está fabricando una bobina solenoidal triple formada por una bobina de Nb-Ti en el exterior, una
intermedia de Nb-Sn y la más interior de SAT. Debido al elevado
campo crítico del material SAT la bobina interior es capaz de generar 0,25 T en presencia de 23 T generados por los exteriores.
El resultado final es una bobina de 23,25 T. Las pocas décimas
añadidas por la bobina SAT permitirán alcanzar frecuencias de 1
GHz en equipos de RMN.
4.2. Líneas de transmisión y dispositivos de potencia
La Compañía Westinghouse en colaboración con Argonne han
desarrollado una línea de transmisión de potencia de 64 cm de longitud y 7,4 cm de diámetro, que utiliza 17 barras rectangulares SAT
constituidas por un composite de Y-Ba-Cu-O y Ag (15). La línea
es capaz de transportar 2.000 A (250 A/cm^) y soporta un campo
magnético máximo de 0,18 T. Usando estas conexiones SAT en
las partes de baja temperatura de dispositivos superconductores de
potencia, puede reducirse la evaporación de He en un 40%. Las
conexiones SAT son importantes en aplicaciones espaciales, donde la evaporación de helio líquido limita el tiempo de vida de los
dispositivos. Por su parte, Argonne ha construido el primer motor
experimental basado en SAT funcionando en nitrógeno líquido, capaz de girar a 50 ciclos por minuto (4).
410
4.4. Aplicaciones médicas
La Compañía ICI Advanced Materials ha desarrollado bobinas
de Y-Ba-Cu-O que se han utilizado, sumergidas en nitrógeno líquido, como bobinas captadoras de un equipo de barrido RMN de
0,15 T, en el hospital de Hammersmith en Londres (13). Con ellas
se ha conseguido la primera imagen RMN de un cerebro humano
usando SAT. La bobina SAT tiene mayor sensibilidad que las usuales de Cu, dando una relación señal/ruido mayor. Esto reduce el
número de barridos necesarios para obtener una imagen, y por tanto
los costes.
5. APLICACIONES A PEQUEÑA ESCALA
El descubrimiento de los SAT han abierto perspectivas más inmediatas en el campo de las aplicaciones a pequeña escala, especialmente en las electrónicas, que en las aplicaciones a gran escala. Al igual que en las últimas, es necesario resolver los problemas
asociados a las propiedades específicas de los SAT mencionadas
anteriormente, pero en este caso hay que considerar también, para
cada aplicación concreta, la influencia del incremento de las fluctuaciones térmicas de la temperatura.
El paso de 4 K a 77 K supone un incremento de un factor 20
en las fluctuaciones térmicas. Este factor es especialmente importante en dispositivos que contienen uniones Josephson. En este caso las fluctuaciones pueden caracterizarse mediante un factor adimensional que viene dado por la expresión (17):
27rkRT _
7
=
•
Ij
27rkBT
IT
[1]
%lc
En la mayoría de los dispositivos y no debe exceder ciertos límites (entre 10"^ y 10~'), de forma que la corriente crítica de la
unión l^ sea siempre considerablemente mayor que la «corriente
térmica» Ij. Para T=4,2 KI^ es muy pequeña ( « 0 , 2 fiA) por lo
que la condición Ic>lT/7max se cumple fácilmente. Para t=77 K,
I T » 3,2 />tA, por lo que los valores de I^ necesarios han de ser superiores a 3 mA. Estos valores de corriente crítica tan elevados
producen dos problemas importantes:
1) La potencia disipada por una unión viene dada por la expresión
P = I V a I c V,
[2]
y por lo tanto crece proporcionalmente a T (para 7 y V fijos). Además, algunos dispositivos superconductores se basan en el rápido
crecimiento de la corriente de cuasipartículas que se produce en
el voltaje asociado a la barrera de la unión, Vg. Como
BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. VOL. 30 - NUM. 5
Aplicaciones de los materiales cerámicos superconductores de alta temperatura crítica
2A(T)
V=Vg;
[3]
donde A(T) es la barrera de energía del superconductor que, según
la teoría BCS, es proporcional a T^, la potencia disipada lo es a
T^. Este enorme incremento resulta prohibitivo en circuitos LSI
superconductores.
2) Muchos de los dispositivos Josephson son SQUIDs. Su parámetro básico (17):
27rLI,
[4]
1=
ha de ser del orden de 3 para un correcto funcionamiento, con lo
que la inductancia del anillo superconductor, L, es proporcional
a T~* para y constante. Por ejemplo, a T=77 K y 7=10"^, resulta Ic=3 mA y L=0,3 pH. La única manera de construir inductancias tan pequeñas es mediante estructuras formadas por microlíneas superconductoras lo que entrañará gran dificultad incluso a
medio plazo. Por ello con SAT será necesario trabajar con valores
de 7 mayores que permitan menores valores de I^. y mayor L, aún
a costa de deteriorar la relación señal-ruido.
5.1. Uniones Josephson
Las uniones Josephson son los elementos activos básicos de la
electrónica basada en superconductores. La teoría standard de superconductividad establece que la frecuencia de conmutación má-
xima de una unión S-N-S viene dada por el máximo valor de la
frecuencia característica de la unión co^ y ésta es
K)n,ax«15n-[Te(T,-T)]'«
para T < T , .
[5]
Para la fase 1-2-3 con Tc=95 K el valor esperado a 77 K es
(œ^)^^^=3xl0^h~K Las uniones S-N-S existen de forma natural
en los SAT y pueden aislarse sin más que practicar un estrangulamiento en el material de tamaño igual al de los granos (18). Pero
éstas no son reproducibles, lo que dificulta su fabricación controlada en dispositivos.
Las uniones tipo túnel (S-I-S) son más fáciles de construir de forma reproducible. Pero en este caso es la frecuencia de plasma œ^
la que limita el tiempo de conmutación. Esta depende directamente de la corriente crítica y con los valores actuales, a 77 K puede
obtenerse a)p=10^^s~^ Estos valores son del orden de los conseguidos con las mejores uniones fabricadas con superconductores
clásicos.
5.2. Sensores SQUID basados en SAT
Un SQUID es un transductor de flujo a voltaje. Físicamente consiste en un anillo de material superconductor cuyo tamaño puede
ir de unas pocas mieras a varios nmi. Hay dos clases de SQUID:
SQUIDs de y SQUIDs rf donde de y rf se refiere al tipo de excitación necesaria para polarizar el dispositivo. El SQUID de tiene dos
uniones Josephson y el rf tan solo una (9).
Nb de SQUID. 4,2 K
a)
100
>
í
1
p
Vo
[IB
1
50
AAA AAA
mm\
\
1
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O.
b)
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n-Ba-Ca-Cu-O de SQUED, 77 K
•
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1
j 1 1
Fig. 6.—Representación esquemática de: a) un SQUID de con dos uniones
Josephson (X-X), y b) un SQUID rfcon una unión. Se han incluido los circuitos de polarización. VQ es el voltaje de salida y es urm función periódica del flujo aplicado í>^ con período ^Q. Las regiones punteadas se encuentran a baja temperatura.
SEPTIEMBRE-OCTUBRE, 1991
>
¡I o
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« i l ¿ M < ;« }«
Fig. l.—a) Representación gráfica VQ(^J de un SQUID de de Nb operando
a 4y2 K. b) Representación gráfica VQÍ^J ^^ ^^ SQUID de de
Tl2Ba2Ca2Cu20y operando a 77 K.
411
C. RILLO
El SQUID dc funciona de una manera simple. Se aplica al dispositivo una corriente de polarización superior a la crítica y se obtiene un voltaje en sus extremos (figura 6a). Este voltaje, debido
a la cuantización de flujo dentro del anillo superconductor, depende de forma periódica del flujo magnético que atraviesa el SQUID,
siendo el período $o (figura 7). En el caso de un SQUID rf, se
aplica una corriente rf de polarización en un circuito LC acoplado
inductivamente con el SQUID. El voltaje rf detectado en el circuito LC varía periódicamente con el flujo de forma similar a la
figura 7.
Los sensores SQUID por sí solos no son particularmente sensibles al campo magnético debido a su pequeño tamaño. Para aumentar su sensibilidad se utilizan los transformadores de flujo. Estos
consisten en dos bobinas superconductoras interconectadas formando
un circuito cerrado. La bobina captadora (de varios cm de diámetro) transforma el flujo que la atraviesa y que se desea medir en
una corriente que circula por la bobina de entrada, de menor tamaño y acoplada inductivamente al SQUID. Esta crea un campo magnético en el SQUID de mayor intensidad que el existente en la bobina captadora. Los transformadores de flujo se fabrican con cable
superconductor o mediante tecnología de película delgada (bobinas planares).
La sensibilidad de los detectores SQUID, construidos con superconductores clásicos, va desde IQ-'^í'o/Hz para los rf hasta
10~^í>o/Hz^^^ para los dc. Con ellos pueden construirse magnetometros con sensibilidades de hasta 0,01 pT/Hz^^^. La sensibilidad
de los SQUID fabricados con SAT puede aproximarse a la de los
de baja temperatura si se hace 7 < 0 , 1 lo que implica Ic>30 mA
y LOOpH.
Recientemente, un grupo de investigadores de Berkeley (California) ha publicado la fabricación de un magnetómetro basado en
un SQUID de de SAT (19). Tanto el dispositivo SQUID como el
transformador de flujo han sido construidos con tecnología de películas delgadas utilizando como material superconductor
YBa2Cu307_g. La sensibilidad del magnetómetro es 0,35
pT/Hz~^^^. Con él se han realizado electrocardiogramas en seres
humanos, obteniéndose resultados similares a los obtenidos con magnetómetros SQUID de baja temperatura (figura 8).
a
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5.3. Patrones de voltaje
Cuando una unión Josepson es irradiada con radiofrecuencia la
curva I-V presenta, además del escalón de corriente a voltaje nulo
(correspondiente a la corriente crítica), escalones de corriente a valores de tensión bien definidos que dependen de constantes fundamentales y de la frecuencia de la radiación. Este hecho se ha utilizado para la fabricación de patrones de voltaje (20). Los dispositivos
actuales basados en superconductores clásicos y están formados por
miles de uniones en serie con las que se consiguen escalones de
voltaje de hasta 10 V, lo que hace que el resto de la instrumentación de comparación con el patrón secundario sea relativamente
simple. Los escalones de corriente han sido observados en uniones
débiles de SAT (21) lo que permite aventurar la consecución de
patrones primarios de voltajefiíncionandoa 77 K en un plazo medio.
Fig. %.—Dos magnetocardiogramas (b,c) de un mismo sujeto obtenidos con
un magnetómetro basado en un SQUID de de Y-Ba-Cu-O operando a 77
K, en los puntos D3 y D5 de la referencia rectangular representada en a).
1-2-3 monocristalina con la superficie de apantallamiento paralela
al piano ab, H^ = 100 Oe y Pc = 10^ W/cm^, más que suficiente en
la mayoría de los casos. Las pantallas electromagnéticas de SAT
pueden adquirirse comercialmente (22).
5.4. Apantallamiento electromagnético
La gran reducción en los costes de refrigeración justifica aplicaciones que con los superconductores clásicos no eran rentables. Así,
el apantallamiento magnético con superconductores, una aplicación
simple conceptualmente, ha estado restringida a sistemas que utilizan helio líquido por otras razones.
Gracias al efecto Meissner, una capa superconductora de grosor
d del orden de varias veces la longitud de penetración X(T), produce un apantallamiento virtualmente perfecto para todas las frecuencias desde dc hasta más allá del ultravioleta. A baja frecuencia,
caso más desfavorable, la potencia crítica, p^., que un superconductor, es capaz de apantallar, es proporcional a H^j. Para la fase
412
6.
CONCLUSIONES
Los materiales SAT presentan propiedades específicas (granularidad, anisotropía, etc.) que dificultan enormemente la fabricación
de cables y dispositivos. Sin embargo la utilización de nitrógeno
líquido en lugar de helio líquido reduce enormemente los costes
y simplifica el diseño y funcionamiento de las aplicaciones. Esto
ha hecho que los centros de investigación de todo el mundo y las
industrias con experiencia en superconductividad, estén dedicando
un gran esfuerzo para la rápida resolución de los problemas de los
SAT. El resultado es alentador, puesto que, en tan solo cinco años.
BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. VOL. 30 - NUM. 5
Materiales cerámicos piezoeléctricos basados en Ti03Pb
se han conseguido fabricar cables y dispositivos que, aunque no
estén optimizados, ofrecen perspectivas de aplicación prometedoras. De hecho, las bobinas superconductoras de elevado campo crítico y los magnetocardiogramas con SQUID s hechos con material
SAT son ya una realidad.
10.
AGRADECIMIENTOS
El autor agradece las financiaciones recibidas del Programa MIDAS (CICYT-REE-UNESA) (Proyectos nP 901641 y 911759), de la
CEE (SCI-0036-F) y de la CICYT
(MAT-11740/90-CE).
BIBLIOGRAFÍA
11.
12.
13.
BARONE, A. y PATERNO, G.: Physics and application of the Josephson Effect. New York: John Wiley (1982).
GALLOP, J. B.: SQUIDS, the Josephson Effects and Superconducting
Electronics. Bristol: Adam Hilger (1990).
GINSBERG, D . M . : Introduction, History and Overview of High Temperature Superconductivity, in «Physical properties of High Temperature Superconductors I» ed., Ginsberg, D. M. World Scientific
(1989).
TiNKHAM, M. y LoBB, C. J.: Physical properties of the New Superconductors. Solid State Physics, 42 (1989), 91-134.
MuLLER, K. H.: Deatiled Theory of the Magnetic Response of HighTemperature Ceramic Superconductors, in «Susceptibility of Superconductors and other Spin Systems» ed., Francavilla, T.; Hein, R.
A. and Lieberger, D. Plenum Press (1991).
Rare-earth Information Center News, Vol. XXVI, No. 1, March 1
(1991).
Superconductivity News, vol. 5, No. 4, April/May (1991).
Superconductivity News, Vol. 4, No. 6, June 22 (1990).
High Tc Update, Vol. 5, No. 1, Jannuary 1 (1991).
LiKHAREV, K. K.: «Dynamics of Josephson Junctions and Circuits».
Gordon and Breach, New York (1986).
1.
LiKHAREV, K. K., SEMENOV, V. K. y ZORIN, A. B.: New Possibili-
2.
ties for Superconductor Devices. In «Superconducting Devices» eds.,
Ruggiero,S. T. and Rudman, D. A. Academic Press (1990), 1-49.
BEDNORZ, J . G . y MÜLLER, K. A.: Possible High T^, Superconductivity in the Ba-La-Cu-O System. Z Phys. B-Condensed Matter, 64
(1986), 189-193.
14.
15.
16.
17.
Wu, M. K., AsHBURN, J. R., TORNG, C . J., MOR, P. H., MENG, R .
L., GAG, L . , HUANG, Z . J., WANG, Y . y CHU, C . W . : Phys. Rev.
18. Wu, P. H., CHENG, Q . H . , YANG, S. Z . , CHEN, J., Li, Y., Ji, Z.
4.
Lett., 58 (1987), 908.
Superconductivity Sourcebook. Hunt, D. H. ed. John Wiley & Sons
(1989).
The Josephson effect in a ceramic bridge at liquid nitrogen temperature. Jpn. J. Appl. Phys., 26 (1987), L1579-L1580.
5.
MÜLLER, K . A., TAKASHIGE, M . y BEDNORZ, J. G.: Flux trapping
3.
6.
7.
M., SONG, J. M., Lu, H. X., GAO, X. K., Wu, J. y ZHANG, X. Y.:
19.
MiKLiCH, A. H., WELLSTOOD, F . C , KINGSTON, J. J. y CLARKE, J.:
and superconductive glass state in La2Cu04_y:Ba. Phys. Rev. Lett.,
58 (1987), 1143-1146.
20.
KAUTZ, R . L . , HAMILTON, C . A. y LLOYD, F . L . : Series-array Jo-
LARBALESTIER, D . C , BABCOCK, S. E . , CAI, X., DAEUMLING, H . ,
HAMPSHIRE, D . P., KELLY, T . F., LAVANIER, L . A., LEE, P. J. y
21.
ROBBES, D . , LAM CHOK SING, M . , MONFORT, Y . , BLOYET, D . , PRO-
22.
VOST, J. y RAVEAU, B.: Bulk d.c. SQUID in a Tl-based ceramic: Shapiro steps, signal and noise properties at 77 K. Appl. Phys. Lett., 54
(1989), 1172.
Superconductivity News, Vol. 5, No. 3, March (1991).
SEUNTJENS, J.: Weak links and the poor transport critical currents of
the 123 compounds. Physica C, 153-155 (1988), 1580-1585.
JosEPHSON, B . D.: Possible new effects in superconductive tunnelling.
Physics Letters, 1 (1962), 251-253.
Thin film YBCO Magnetometer. Nature, 352 (1991), 482-483.
sephson voltage standards, IEEE Trans. Mag., 23 (1987), 883-890.
BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. 30 (1991) 5, 413-416
Materiales cerámicos piezoeléctricos basados en Ti03Pb
L. DEL OLMO, O. GARCIA, R. ROJAS
Instituto de Ciencia de Materiales. Madrid
L. BENAVENTE, M. GARCIA, A. G. ESPARTERO
INYSA, S. A.
RESUMEN.—Materiales cerámicos piezoeléctricos basados en
TiOaPb.
ABSTRACT.—Piezoceramic materials based in TiO^Pb.
El presente trabajo se enmarca dentro de una práctica de
transferencia tecnológica comprometida en un proyecto concertado C.S.LC.-INYSA, S. A . , oficializado por la Secretaría General de Promoción Industrial y Tecnología, y fínanciado por
el C.D.T.I. Se trata de dar una expresiva sintetizada sobre los
conceptos de base, tanto en los procesos químicos seguidos, com o en los de conformación, para su desarrollo, de pie;?oelementos cerámicos basados en TiOsPb.
This work is enclosed in a Technologic Transference Project
between C.S.I.C.-INYSA, S. A. and financed through C.D.T.I.
The object is to show a synthetic view about the key concepts
of the followed chemical and ceramic processes in the development of piezo-ceramic elements based in Ti03Pb.
1.
logías (1). De una manera muy acentuada acusan esta situación los
materiales electrocerámicos, constatándose en la actualidad una marcada tendencia a la producción científica, que como investigación
aplicada, trata de proporcionar conocimiento para el desarrollo y
optimización de materiales cerámicos del sistema Ti02-PbO.
INTRODUCCIÓN
Como una constante en el tiempo, y durante los últimos años,
se viene manifestando una continua demanda de materiales con nuevas y/o mejores respuestas para su implantación en nuevas tecnoSEPTIEMBRE-OCTUBRE, 1991
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