Técnicas experimentales

Muchos de los fenómenos físicos tratados en este artículo se manifiestan en propiedades magnéticas o de transporte eléctrico de los materiales superconductores. El estado Meissner en muestras masivas, por ejemplo, se caracteriza por el diamagnetismo perfecto (propiedad magnética) y la resistividad lineal nula (propiedad de transporte). En este anexo se da una breve reseña de algunas técnicas experimentales usadas para estudiar estas propiedades. También se describe una técnica de transporte, llamada transformador de flujo dc, que ha sido de gran utilidad en los últimos años para investigar la correlación de la fase superconductora en la dirección del campo magnético en el estado mixto de los SAT . Los resultados de esta técnica concentran la atención de la mayor parte de este artículo.

La magnetización M(H,T) del superconductor se debe a que las corrientes de apantallamiento del campo externo, que circulan en la superficie de la muestra, generan un momento magnético. En un campo estático, la dependencia de M(H,T) con el campo, la temperatura y el tiempo da información sobre la existencia de efecto Meissner, la penetración de flujo debida a los vórtices, la presencia, intensidad y carácter del anclaje de los vórtices, y otras propiedades. Al campo estático puede superponérsele un campo magnético oscilatorio y estudiar la respuesta del superconductor (susceptibilidad) (H,T)), la cual permite investigar aspectos de la dinámica de las estructuras de flujo.

En el estado Meissner es posible sostener corrientes superconductoras de transporte (en el volumen de la muestra) sin disipación de energía. En presencia de vórtices, sin embargo, la corriente aplicada ejerce una fuerza de Lorentz sobre las líneas de flujo; si esta supera la de anclaje los vórtices se mueven y aparece un voltaje en la dirección de la corriente. La forma más simple de medir este voltaje es inyectar corriente por dos electrodos y conectar un voltímetro a otros dos terminales colocados en la línea que une los contactos de corriente. Las numerosas complicaciones que aparecen para aplicar esta técnica sencilla a monocristales de los SAT se deben a características propias de estos materiales que hacen difícil la realización de contactos de alta calidad y al hecho de que casi siempre se desea obtener gran sensibilidad a pequeños voltajes manteniendo la temperatura de la muestra bien controlada, en amplios rangos de campo magnético y temperatura.

Los contactos de los electrodos deben ser de baja resistencia para minimizar el ruido térmico y para evitar calentamiento local de Joule al aplicar corriente. Una dificultad que se presenta para lograrlo es que el área disponible para fabricarlos es muy reducida: los monocristales comúnmente disponibles de los SAT son de dimensiones típicas de 1 mm2 en la dirección de los planos ab y algunas decenas de micrones en la dirección c. Otro problema es la generación de una interfaz adecuada entre el superconductor y el material con el que se fabrica el electrodo. Las formas de obtener contactos de baja resistencia son numerosas. Una disposición que da buenos resultados en monocristales de YBCO consiste en formar para cada electrodo una "pista" de oro depositado por evaporación de unos 5000 Å de espesor, la cual se somete a un tratamiento térmico (aproximadamente 8 hs. a una temperatura de 400oC) para inducir la difusión del oro en la superficie de la muestra (este recocido debe hacerse en flujo de oxígeno gase oso para evitar la desoxigenación del YBCO). Sobre la "pista" se adhiere después un trozo alambre de oro con un epoxy de plata que se endurece exponiéndolo a 100oC durante una hora. Las resistencias de contacto así obtenidas son del orden de 1 a temperatura ambiente.

FIGURA 1

Figura 1. Distribución de contactos eléctricos para el transformador (a) de Giaever y (b) en un monocristal de SAT.

En 1965 I. Giaever diseñó un experimento de transporte eléctrico que constituyó una de las pruebas más concluyentes de que la resistencia en el estado mixto de los superconductores del tipo II se origina en el movimiento de vórtices. La Fig. 1a muestra un esquema de la disposición que empleó: se inyecta corriente en una lámina de estaño de 1000Å de espesor ("primario") separada de otra lámina similar por una capa aislante de SiO de 200Å de espesor. Con un campo magnético perpendicular a las láminas y a temperatura suficientemente baja se tienen vórtices en ambas láminas de estaño; las corrientes de los vórtices tienen una interacción magnética que los acopla a través del aislador.

Así, la corriente aplicada al "primario" ejerce fuerza sobre los vórtices de esa lámina los cuales, por intermedio de la interacción magnética, hacen fuerza sobre los del "secundario". Al moverse los vórtices del primario arrastran a los del secundario que, en el estado estacionario, se mueven con igual velocidad. De esta manera se mide un voltaje en el primario igual al del secundario, Vtop = Vbot. El nombre de transformador de flujo a corriente continua que se dio a la configuración usada por Giaever se debió a este resultado. Es obvio que en el estado normal, T > Tc el resultado experimental indicará Vtop Vbot = 0.

Debido a la anisotropía de los SAT y a la importancia de las fluctuaciones térmicas, podría esperarse que la correlación de velocidades de los vórtices se pierda en distancias tales como los espesores típicos de las muestras. Para estudiar esto se puede extender la idea del experimento de Giaever a un monocristal de un SAT, tal como se muestra en la figura 1b. Se requieren dos electrodos de corriente y dos de voltaje en una cara (top) de un cristal en forma de lámina y dos electrodos de voltaje en la otra cara (bot) (normalmente se colocan electrodos de corriente en ambas caras para verificar la simetría de los resultados).

Se inyecta corriente por el top y se miden los voltajes Vtop y Vbot. En este caso la corriente se distribuye a través de la muestra pero debido a la anisotropía ( c > ab) y a la ubicación de contactos se tiene una distribución inhomogénea de corriente que hace que la fuerza de Lorentz ejercida sobre un vórtice sea máxima cerca de la cara superior y disminuya hacia abajo. Esta inhomogeneidad de la fuerza aplicada, presente en un cristal homogéneo por efecto de la distribución inhomogénea de corriente, permite estudiar la correlación de los vórtices en la dirección del campo aplicado mediante la comparación de los voltajes top y bot. En efecto, la técnica ha permitido determinar que en el compuesto BiSrCaCuO los vórtices son entidades cuasi-bidimensionales, sin correlación en la dirección del campo, en un amplio rango de temperaturas y campos magnéticos, mientras que en YBaCuO, menos anisotrópico, se tiene movimiento correlacionado de vórtices en una porción del diagrama de fases H-T, tal como se discute en este artículo.

Caracterización de sustratos para superconductores Y-123

Se han caracterizado [1] las perosquitas ordenadas Ba2(RSb)O6, (R Y, Ho), que son buenos sustratos para películas delgadas de YBa2Cu3O7-. Con datos de difracción de neutrones en muestras policristalinas, se ha refinado la estructura de estas perosquitas en el grupo Fmm (Nº 225), con Z = 4, Ba en 8(c), R en 4(b), Sb en 4(a), y oxígeno en 24(e), obteniendo un parámetro de posición x = 0.2636(2) para R = Y y Ho, y dimensiones de la celda unidad a/ = 8.4240(3) y 8.4170(2) para R = Y y Ho respectivamente. Se ha medido la susceptibilidad magnética de ambas perosquitas entre 2 y 350 K. La susceptibilidad paramagnética y su variación con la temperatura se han calculado según el formalismo de Van Vleck, a partir de una estimación a priori de los parámetros del campo del cristal correspondientes a la simetría de la posición de la tierra rara, Oh, y usando las funciones de onda asociadas con los niveles de energía obtenidos. La desviación observada respecto al comportamiento Curie-Weiss a baja temperatura, muy bien reproducida, refleja el desdoblamiento del estado normal del catión por influencia del campo.

Crecimiento de cristales superconductores y medida de sus propiedades

Se han crecido cristales de Bi-2212, en los que se han estudiado los efectos de la fluctuación térmica sobre la magnetización, por encima y por debajo de la temperatura de transición superconductora, en el límite del campo magnético débil [1]; la influencia de pequeñas inhomogeneidades del contenido de oxígeno, sobre la paraconductividad y la magnetoconductividad inducida por fluctuación [2]; y los cambios discretos, a temperaturas cercanas a la crítica, en el infrarrojo lejano, de áreas de bandas de fonones en primer y segundo orden [3].

También se han crecido cristales de la espinela superconductora LiTi2O4, en la que se están realizando medidas para determinar la línea de irreversibilidad.

Estabilidad térmica de cupratos superconductores con oxoaniones

Se estudia la efecto de la sustitución parcial de Cu [1] por algunos grupos oxoaniones (SO42-, PO42- y BO33-) en las propiedades de óxidos superconductores 1212. La estabilidad térmica de los óxidos sustituidos disminuye en el orden BO33- > PO42- > SO42-, tal como indican las temperaturas de fusión peritéctica de los materiales sustituidos. Además, la sustitución por iones SO42- y PO42- hace variar la Tc desde 80K para los materiales sin dopar, hasta 70 y 60K para el oxosulfato y oxofosfato, respectivamente, mientras que la incorporación de iones BO33- elimina la superconductividad.

Preparación y estudio de cupratos con estructura en capas infinitas

La llamada "estructura en capas infinitas" deriva de la perovskita ABO3 al suprimir los oxígenos axiales de todos los grupos octaédricos. Los cupratos de estequiometría (Sr,Ca)CuO2 presentan dicha estructura, que se ha de estabilizar a alta presión hidrostática. Se ha descrito superconductividad en materiales dopados con huecos o electrones. Con una prensa hidrostática de pistón-cilindro, capaz de alcanzar 20 kbar, se ha podido preparar (Sr0.75Ca0.25)0.85Nd0.15CuO2, superconductor a 34 K. Trabajar a esas presiones moderadas permite la obtención de cantidades de muestra suficientes para estudios por difracción de neutrones. Se ha refinado la estructura con datos de alta resolución (D2B, ILL) [1] que revelan la presencia de oxígenos axiales que probablemente producen perturbaciones en los planos CuO2 que son el origen del pequeño volumen Meissner observado en estos materiales. Este trabajo se está desarrollando en el marco de un proyecto financiado por la CICYT [2].

Propiedades electrónicas de los óxidos de cobre

Se han estudiado las excitaciones de carga y spin de baja energía de los óxidos de cobre, a diferentes valores del doping, con un modelo Hubbard bidimensional resuelto por técnicas de campo medio complementadas con la Random Phase Approximation (RPA). Esta aproximación reproduce correctamente las principales características del modelo Hubbard, siendo los resultados obtenidos consistentes con las propiedades de los superconductores de alta Tc.

Se están estudiando también los espectros de los óxidos de cobre obtenidos por fotoemisión, basándonos en el modelo 'Lattice Anderson'. El método de cálculo introduce la correlación de los estados finales y se explican muchas características de los espectros experimentales.

Materiales en comunicaciones

La utilización de nuevos materiales con altas prestaciones es uno de los pilares del avance espectacular de las tecnologías de la información y comunicaciones. El desarrollo de aplicaciones basadas en sus propiedades requiere un profundo conocimiento previo de éstas. En particular, el descubrimiento de superconductividad en óxidos cerámicos multimetálicos a temperaturas superiores a 77 K (superconductores de alta temperatura, SAT) puede permitir del desarrollo práctico de algunas aplicaciones de la superconductividad económicamente inviables con los superconductores clásicos. Sin embargo, la gran complejidad de los SAT y su naturaleza granular dificultan la puesta en marcha de aplicaciones de los mismos de forma inmediata, a pesar del gran esfuerzo investigador que en este campo se está realizando en los países avanzados. En concreto, en nuestro grupo se ha trabajado en la caracterización experimental y modelado fenomenológico de las propiedades electromagnéticas de superconductores de alta temperatura crítica, incidiendo especialmente en las implicaciones de la granularidad, y en el desarrollo de aplicaciones de los mismos en magnetometría y en cintas para el transporte de corriente sin pérdidas. Por otra parte, en relación con las aplicaciones de la superconductividad clásica, se ha trabajado en la implementación en España de los patrones primarios de tensión (efecto Josephson) y resistencia (efecto Hall cuántico), en colaboración con grupos nacionales y extranjeros especializados en metrología eléctrica básica. Por último, también se ha colaborado con otros grupos de investigación en la caracterización electromagnética de materiales de interés tecnológico, como imanes permanentes o aceros estructurales.

Lineas de Trabajo Síntesis de materiales de Litio para su uso en reactores de fusión:

El desarrollo de los materiales para revestimiento de reactores de fusión, se basa en la producción de compuestos químicos y cuerpos cerámicos estables bajo las condiciones de trabajo del revestimiento de dichos reactores. Los materiales cerámicos candidatos para dicha aplicación son titanatos, zirconatos, silicatos de Litio. En 1995 se inicio el proyecto OIEA, "Cerámicas de Litio para Reactores de Fusión". Durante el año 1995 se desarrollaron tecnologías tendientes a fabricar polvos y piezas de metatitanato de Litio (Li2TiO3). Este ha sido sintetizado por reacciones de precipitación, vía sol-gel y reacción sólida. Encontrar las condiciones óptimas de síntesis, con llevó a estudiar el tratamiento térmico que causa la formación del óxido doble. El método sol-gel permitió un control microestructural en la obtención de polvos de alta pureza. Se han caracterizado los polvos de metatitanato de Litio para establecer las características de ellos y su influencia en el comportamiento final del cuerpo cerámico. Para establecer la producción de Tritio a partir de especímenes del cerámico de Litio, estos han sido sometidos a irradiación en el núcleo del reactor. Los especímenes son conformados a partir del polvo fino de metatitanato de Litio por el proceso de extrusión. La forma geométrica del cerámico depende del diseño del blanket. En este caso los especímenes han sido conformados como cilindros de 0.7 mm. diámetro promedio. Las piezas cerámicas se someten a irradiación y registro de la liberación de Tritio. Se montó el Laboratorio de Liberación de Tritio y se ha puesto a punto la instrumentación. Se persigue establecer la relación entre microestructura y preparación del cuerpo cerámico para optimizar la liberación de Tritio. La configuración final del revestimiento del reactor de fusión determina fuertemente el mecanismo de extracción del Tritio y su velocidad de liberación. Las formas geométricas afectan la conductividad térmica, tensión térmica, como también la presión del gas de arrastre en la liberación del Tritio. Es por esto que se estudiarán otras formas geométricas, las cuales deberán ser ensayadas en el loop de irradiación que se encuentra en su etapa de diseño.

Obtención de zeolitas de talio:

Las zeolitas de metales alcalinos han sido utilizadas para la fabricación de fuentes de iones. Se requiere, sin embargo, disponer de una zeolita de talio para esta aplicación, debido a que este elemento tiene mayor masa atómica y un primer potencial de ionización relativamente bajo, características importantes en los diagnósticos de plasmas con confinamiento magnético usando haces de iones. La resolución en los diagnósticos se favorece además, si se emplea talio monoisotópico en las fuentes.

El objetivo de este estudio fue desarrollar un procedimiento de síntesis óptimo para la obtención de una zeolita de talio natural en primer lugar y de talio monoisotópico a continuación. Para esto se realizaron experiencias de intercambio iónico a partir de la zeolita comercial X-13 (zeolita de Na) y óxido tálico o carbonato de talio. Este intercambio se realizó en sistema batch controlando la concentración de la solución, tiempos de reacción y temperatura de reacción. Los productos obtenidos han sido caracterizados para determinar la eficiencia del intercambio.

Omar Caballero

Electrónica del estado sólido

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