Жоғары температуралы күшті өткізгіштік: YBCO құрамы мен қасиеттері
Yttrium barium copper oxide
Жоғары температурадағы өткізгіштікке ие YBCO (иттрий барий мыс оксиді) туралы мақала. Құрамы, қасиеттері, сұйық азоттың қайнау температурасындағы өткізгіштігі жайлы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Иттрий-барий мыс оксиді (YBCO) – жоғары температуралық суперөткізгіштікке ие кристалдық химиялық қосылыстар отбасы; ол сұйық азоттың қайнау температурасынан жоғары суперөткізгішке айналған алғашқы материалды қамтиды. Алғашқы үлгілер Y1.2Ba0.8CuO4 болды, бірақ бұл екі фазаның орташа құрамы, қара және жасыл түсті. Белл зертханасының қызметкерлері қара фазаны суперөткізгіш ретінде анықтады, оның құрамын YBa2Cu3O7−δ деп белгіледі және оны бір фазада синтездеді. YBCO 77 К-тен жоғары температурада суперөткізгіш болатын алғашқы материал болды, бұл сұйық азоттың қайнау нүктесіне сәйкес келеді, ал көптеген басқа суперөткізгіштерге қымбат криогендер қажет. Дегенмен, YBCO және оған ұқсас көптеген материалдар әлі күнге дейін салқындату үшін сұйық гелийді қажет ететін суперөткізгіштерді толықтай алмастыра қойған жоқ.
Yttrium barium copper oxide (YBCO) is a family of crystalline chemical compounds that display high temperature superconductivity; it includes the first material ever discovered to become superconducting above the boiling point of liquid nitrogen [] at about The first samples were Y1.2Ba0.8CuO4, but this was an average composition for two phases, a black and a green one. Workers at Bell Laboratories identified the black phase as the superconductor, determined its composition YBa2Cu3O7−δ and synthesized it in single phase
YBCO was the first material found to become superconducting above 77 K, the boiling point of liquid nitrogen, whereas the majority of other superconductors require more expensive cryogens. Nonetheless, YBCO and its many related materials have yet to displace superconductors requiring liquid helium for cooling.
Құрылымы
YBCO қабаттардан тұратын кемшікті перовскит құрылымында кристалданады. Әрбір қабаттың шекарасы 4 төбесі ортақ төртбұрышты жазық CuO4 бірліктерінің жазықтықтарымен белгіленеді. Жазықтықтар кейде сәл иіліп тұрады. Бұл (мыс жазықтықтарындағы өткізгіштік) өткізгіштікті ab жазықтықтарымен шектейді және тасымалдау қасиеттерінде жоғары анизотропия байқалады. c ось бойындағы қалыпты өткізгіштік ab жазықтығындағыдан 10 есе төмен. Осы жалпы классқа жататын басқа купраттар үшін анизотропия тіпті жоғары, ал жазықтықтар арасындағы тасымалдау қатты шектелген. Сонымен қатар, суперөткізгіштік ұзындықтары да ұқсас анизотропияны көрсетеді, ену тереңдігі (λab ≈ 150 нм, λc ≈ 800 нм) және когеренттік ұзындығы (ξab ≈ 2 нм, ξc ≈ 0.4 нм) бойынша. ab жазықтығындағы когеренттік ұзындығы c ось бойындағыдан 5 есе үлкен болғанымен, ол ниобий сияқты классикалық суперөткізгіштерге қарағанда (мұнда ξ ≈ 40 нм) өте кішкентай. Бұл шағын когеренттік ұзындық суперөткізгіш күйдің интерфейстерден немесе бірлік жасуша деңгейіндегі ақаулардан, мысалы, егізденген кристалл домендері арасындағы шекарадан туындайтын жергілікті бұзылыстарға осал екенін білдіреді. Шағын ақауларға сезімталдық YBCO құрылғыларын жасауды қиындатады, сонымен қатар материал ылғалдан зақымдануға бейім.
YBCO crystallizes in a defect perovskite structure consisting of layers. The boundary of each layer is defined by planes of square planar CuO4 units sharing 4 vertices. The planes can sometimes be slightly puckered. This (conduction in the copper planes) confines conductivity to the a b planes and a large anisotropy in transport properties is observed. Along the c axis, normal conductivity is 10 times smaller than in the a b plane. For other cuprates in the same general class, the anisotropy is even greater and inter plane transport is highly restricted. Furthermore, the superconducting length scales show similar anisotropy, in both penetration depth (λab ≈ 150 nm, λc ≈ 800 nm) and coherence length, (ξab ≈ 2 nm, ξc ≈ 0.4 nm). Although the coherence length in the a b plane is 5 times greater than that along the c axis it is quite small compared to classic superconductors such as niobium (where ξ ≈ 40 nm). This modest coherence length means that the superconducting state is more susceptible to local disruptions from interfaces or defects on the order of a single unit cell, such as the boundary between twinned crystal domains. This sensitivity to small defects complicates fabricating devices with YBCO, and the material is also sensitive to degradation from humidity.
Жер бетін өзгерту
Материалдардың бетін өңдеу көбінесе жаңа және жақсартылған қасиеттерге алып келеді. Коррозияны тоқтату, полимерлердің жабысуы және нуклеациясы, органикалық суперөткізгіш/оқшаулағыш/жоғары Tc суперөткізгіш үш қабатты құрылымдарын дайындау, сондай-ақ металл/оқшаулағыш/суперөткізгіш туннельдік қосылыстарды жасау, беті өңделген YBCO қолданылу арқылы жетістікке жетті. Бұл молекулалық қабатты материалдар циклдық вольтамметрия әдісімен синтезделеді. Қазірге дейін алкиламин, арил амин және тиолдармен қабатталған YBCO-ның молекулалық қабаттарының тұрақтылығы әртүрлі деңгейде болып табылады. Аминдер Льюис негіздері ретінде әрекет етеді және YBa2Cu3O7-дегі Льюис қышқылдық Cu бетіндегі орындармен байланысып, тұрақты координациялық байланыстар құрайды деген гипотеза бар.
Surface modification of materials has often led to new and improved properties. Corrosion inhibition, polymer adhesion and nucleation, preparation of organic superconductor/insulator/high Tc superconductor trilayer structures, and the fabrication of metal/insulator/superconductor tunnel junctions have been developed using surface modified YBCO. These molecular layered materials are synthesized using cyclic voltammetry. Thus far, YBCO layered with alkylamines, arylamines, and thiols have been produced with varying stability of the molecular layer. It has been proposed that amines act as Lewis bases and bind to Lewis acidic Cu surface sites in YBa2Cu3O7 to form stable coordination bonds.
Жаппай өндіріс
1987 жылы, ашылғаннан кейін көп ұзамай, физик және ғылым жазушы Пол Грант Ұлыбританияның New Scientist журналында қолжетімді жабдықтарды пайдаланып YBCO суперөткізгіштерін синтездеуге арналған қарапайым нұсқаулық жариялады. Осы мақаланың және сол кездегі ұқсас жарияланымдардың арқасында YBCO әуесқойлар мен білім беру саласында танымал жоғары температуралы суперөткізгішке айналды, себебі сұйық азотты салқындатқыш ретінде қолдана отырып, магниттік левитация әсерін көрсету оңай. 2021 жылы SuperOx, ресейлік-жапондық компания, термоядролық реакторлар үшін YBCO сымын жасауға арналған жаңа өндіріс процесін әзірледі. Бұл жаңа сым бір шаршы миллиметрге 700-2000 ампер ток өткізетіні анықталды. Компания 2019 мен 2021 жылдар аралығында 9 ай ішінде 186 миль сым өндіре алды, бұл өндіріс қуатын күрт арттырды. Компания 12 мм енді лента жасау үшін электрополировкаланған негізге плазмалық лазерлік шоғырландыру процесін қолданды, содан кейін оны 3 мм енді ленталарға бөліп кесті.
In 1987, shortly after it was discovered, physicist and science author Paul Grant published in the U. K. Journal New Scientist a straightforward guide for synthesizing YBCO superconductors using widely available equipment. Thanks in part to this article and similar publications at the time, YBCO has become a popular high temperature superconductor for use by hobbyists and in education, as the magnetic levitation effect can be easily demonstrated using liquid nitrogen as coolant. In 2021, SuperOx, a Russian and Japanese company, developed a new manufacturing process for making YBCO wire for fusion reactors. This new wire was shown to conduct between 700 and 2000 Amps per square millimeter. The company was able to produce 186 miles of wire in 9 months, between 2019 and 2021, dramatically improving the production capacity. The company used a plasma laser deposition process, on a electropolished substrate to make 12 mm width tape and then slit it into 3 mm tape.