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Ossido di rame bario e terre rare

L'ossido di rame bario e terre rare o cuprato di bario e terre rare (noto anche come ReBCO[1], dall'inglese rare-earth barium copper oxide) è una famiglia di composti chimici noti per la superconduttività ad alta temperatura.[2] I superconduttori ReBCO sono in grado di sostenere campi magnetici più intensi rispetto ad altri materiali superconduttori. Grazie a ciò e a una temperatura critica, la temperatura massima a cui mantenere la superconduttività, relativamente elevata, questi materiali sono promettenti per la realizzazione di reattori nuclearie a fusione basati sul confinamento magnetico consentendo una costruzione più compatta ed economica[3] e per il potenziamento dei moderni acceleratori di particelle.[4][5]

Cella unitaria di YBCO
Currente critica (KA/cm2) rispetto alla temperatura assoluta (K), per differenti intensità del campo magnetico (T) nel YBCO.[6]

Il più famoso di questi è il cuprato di ittrio e bario, YBa2Cu3O7−x (o Y123), primo superconduttore trovato con temperatura critica al di sopra del punto di ebollizione dell'azoto liquido.[7] Il suo rapporto molare è 1 a 2 a 3 per ittrio, bario e rame e ha una cella unitaria costituita da subunità, che è la struttura tipica delle perovskiti,. In particolare le subunità sono tre, sovrapposte e contenenti un atomo di ittrio al centro di quella di mezzo e un atomo di bario al centro delle rimanenti. Pertanto, ittrio e bario sono impilati secondo la sequenza [Ba–Y–Ba], lungo un asse convenzionalmente indicata con c, come da figura.

La cella risultante ha una struttura ortorombica, a differenza degli altri cuprati superconduttori che generalmente hanno struttura tetragonale. Tutti i siti angolari della cella unitaria sono occupati dal rame che ha due diverse coordinazioni, Cu(1) e Cu(2), rispetto all'ossigeno. Esistono quattro possibili siti cristallografici per l'ossigeno: O(1), O(2), O(3) e O(4).[8]

Altre terre rare utilizzabili al posto dell'ittrio possono essere il lantanio (LBCO), il samario (Sm123),[9] il neodimio (Nd123 e Nd422),[10] il gadolinio (Gd123) e l'europio (Eu123),[11] dove i numeri tra parentesi indicano il rapporto tra le moli di terre rare, il bario e il rame.

Poiché questi materiali sono fragili, è difficile trasformarli in fili ma, a partire dal 2010, si è iniziato a produrre nastri a più strati che incapsulano composti ReBCO[12], aprendo la strada a usi commerciali.

Nel settembre 2021 la Commonwealth Fusion Systems (CFS) ha creato un magnete di prova con fili bastati su ReBCO in cui scorreva una corrente di 40.000 ampere, con un campo magnetico di 20 tesla a 20 K.[13][14]

Nel 2023, al National High Magnetic Field Laboratory (MagLab), presso l'Università statale della Florida, grazie ai ReBCO, è stato realizzato un magnete superconduttore in grado di generare 32 tesla.[15][16]

Note modifica

  1. ^ Alok K. Jha e Kaname Matsumoto, Superconductive REBCO Thin Films and Their Nanocomposites: The Role of Rare-Earth Oxides in Promoting Sustainable Energy, in Frontiers in Physics, vol. 7, 2019, pp. 82, DOI:10.3389/fphy.2019.00082. URL consultato il 4 novembre 2021.
  2. ^ Superconductivity of rare earth-barium-copper oxides, vol. 62, DOI:10.1016/0038-1098(87)90038-X.
  3. ^ Fusione a confinamento magnetico, l’energia che imita le stelle, su Agi. URL consultato il 9 settembre 2021.
  4. ^ (EN) To 20 Tesla and beyond: the high-temperature superconductors, su CERN. URL consultato il 4 novembre 2021.
  5. ^ Jeroen van Nugteren, Glyn Kirby e Jaakko Murtomäki, Toward REBCO 20 T+ Dipoles for Accelerators, in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 28, n. 4, 2018-06, pp. 1–9, DOI:10.1109/TASC.2018.2820177. URL consultato il 13 gennaio 2023.
  6. ^ Anjela Koblischka-Veneva, Michael R. Koblischka, Kévin Berger, Quentin Nouailhetas, Bruno Douine, Miryala Muralidhar e Masato Murakami, Comparison of Temperature and Field Dependencies of the Critical Current Densities of Bulk YBCO, MgB₂, and Iron-Based Superconductors, in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 29, n. 5, 2019-08, pp. 1–5, DOI:10.1109/TASC.2019.2900932, ISSN 1558-2515 (WC · ACNP).
  7. ^ M. K. Wu, J. R. Ashburn, C. J. Torng, P. H. Hor, R. L. Meng, L. Gao, Z. J. Huang, Y. Q. Wang, et C. W. Chu, Superconductivity at 93 K in a new mixed-phase Y-Ba-Cu-O compound system at ambient pressure (PDF), in Physical Review Letters, vol. 58, n. 9, pp. 908–910.
  8. ^ R. Hazen, L. Finger e R. Angel, Crystallographic description of phases in the Y-Ba-Cu-O superconductor, in Physical Review B, vol. 35, n. 13, 1987, pp. 7238–7241, Bibcode:1987PhRvB..35.7238H, DOI:10.1103/PhysRevB.35.7238, PMID 9941012.
  9. ^ (EN) K. Kasuga, M. Muralidhar e P. Diko, SEM and SEM by EDX Analysis of Air-Processed SmBa2Cu3Oy, in Physics Procedia, vol. 81, 1º gennaio 2016, pp. 41–44, DOI:10.1016/j.phpro.2016.04.018. URL consultato il 12 ottobre 2021.
  10. ^ N. Hari Babu, W. Lo e D. A. Cardwell, The irreversibility behavior of NdBaCuO fabricated by top-seeded melt processing, in Applied Physics Letters, vol. 75, n. 19, 8 novembre 1999, pp. 2981–2983, DOI:10.1063/1.125208. URL consultato il 12 ottobre 2021.
  11. ^ (EN) M Murakami et al, Melt-processed light rare earth element - Ba - Cu - O, in Superconductor Science and Technology, vol. 9, n. 12. URL consultato il 12 ottobre 2021.
  12. ^ (EN) ReBCO High Temperature Superconducting Tape, su www.fusionenergybase.com. URL consultato il 13 gennaio 2023.
  13. ^ Eni e Commonwealth Fusion Systems, su www.eni.com. URL consultato il 13 gennaio 2023.
  14. ^ (EN) MIT ramps 10-ton magnet up to 20 tesla in proof of concept for commercial fusion, su www.ans.org. URL consultato il 13 gennaio 2023.
  15. ^ (EN) National High Magnetic Field Laboratory, Meet the 32 Tesla Superconducting Magnet - MagLab, su nationalmaglab.org. URL consultato il 25 marzo 2024.
  16. ^ (EN) Heather Hall, R&D 100 winner of the day: 32 Tesla Superconducting Magnet, su Research & Development World, 3 luglio 2023. URL consultato il 25 marzo 2024.

Voci correlate modifica

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