Ψυχρά Υλικά: Υψηλής Θερμοκρασίας Υπεραγωγοί

Οποιοδήποτε θέμα είναι σχετικό και οι "υψηλής θερμοκρασίας" υπεραγωγοί (HTSC) δεν ξεφεύγουν από αυτό τον κανόνα. Θα μπορούσε όμως να σκεφθεί κάποιος μια θερμοκρασία στους  -180^οC πως είναι υψηλή;
Εκατόν ογδόντα βαθμούς Κελσίου κάτω από το σημείο πήξεως του νερού είναι  μια ανήκουστη χαμηλή θερμοκρασία για τους περισσότερους ανθρώπους. Αλλά για τους επιστήμονες που συνηθίζουν να δουλεύουν με θερμοκρασίες πολύ χαμηλώτερες από αυτή, η ανακάλυψη υλικών που παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα σε αυτές τις θερμοκρασίες ήταν το πιό θερμό νέο στη ζωή τους.

Στις παλιές αλλά όχι καλές ημέρες για την υπεραγωγιμότητα (1910-1986), η ιδιότητα αυτή ήταν γνωστή για λίγα μεταλλα, κράματα και μια φούχτα κεραμικά υλικά. Αλλά σε όλες τις περιπτώσεις η κρίσιμος θερμοκρασία υπεραγωγιμότητας ήταν εξαιρετικά χαμηλή από 10 έως 20K, που είναι  -263 εως -253C.

Τον Απρίλιο του 1986 μια επαναστατική αλλαγή έλαβε χώρα με την ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας στην υψηλή θερμοκρασία ρεκόρ των 27K (-246C) σε ένα σύμπλεγμα οξειδίου του χαλκού, λανθάνιου και βάριου. Αυτό ήταν το σημείο εκκίνησης για μια εκθετική αύξηση των τιμών της κρίσιμης θερμοκρασίας Tc.
Στις αρχές του 1987 το οξείδιο YBa₂Cu₃O₇ (επίσης γνωστό σαν 123, YBaCuO ή YBCO) αναγνωρίστηκε σαν το υπεύθυνο υλικό με την υψηλώτερη θερμοκρασία Tc των 92K (-181C).

Γιατί όμως αυτή η θερμοκρασία ενδιαφέρει πολύ τους επιστήμονες καθώς και τεχνικούς; Γιατί βρίσκεται πάνω από το σημείο βρασμού του υγρού αζώτου, που είναι ένα πολύ φθηνό υλικό και πολύ εύκολα οδηγούμαστε στη θερμοκρασία των -181C. Ετσι αυτή η ανακάλυψη παρουσιάζεται σαν μια νέα, ισχυρή πρόκληση για την επίτευξη τεχνολογιών που θα οδηγήσουν τον κόσμο σε νέα μορφή.
Ετσι...η ερώτηση παραμένει. Είναι υψηλή αυτή η θερμοκρασία ή όχι;

Καινούργια υλικά με παλαιά άτομα.

Σε γενικές γραμμές, η δομή των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας-Tc ελιναι παρόμοια με ένα γιγαντιαίο σάντουιτς.
Στρώσεις ατόμων χαλκού και οξυγόνου (το κρέας, το βασικό μέρος για υπεραγωγιμότητα) εναλλακτικά με στρώσεις των άλλων μετάλλων (το ψωμί).
Η δομή του υπεραγωγού 123 δείχνεται πιό κάτω. Στην πραγματικότητα υπάρχουν δύο δομές: η μία στα αριστερά ανταποκρίνεται στο οξείδιο με μια μικρότερη περιεκτικότητα οξυγόνου (YBa₂Cu₃O₆) που δεν είναι υπεραγωγός!

Στα δεξιά, έχουμε την ίδια δομή απλώς με μερικά άτομα οξυγόνου ακόμη που οδηγεί στην υπεραγωγιμότητα YBa₂Cu₃O₇. Στην περίπτωση αυτή το ΄κρέας' στο σάντουιτς είναι τα επίπεδα του Cu-O που σχηματίζουν τις βάσεις των μπλε πυραμίδων και το 'ψωμί' επίσης σχηματίζεται από άτομα του χαλκού (μικρές μπλε μπάλες με κυανούς δεσμούς)    

YBa₂Cu₃O₆  YBa₂Cu₃O₇ 

 Προοπτικές όψεις της δομής του YBa₂Cu₃O₆  (μονωτής) και YBa₂Cu₃O₇ (υπεραγωγός). Οι μικρές κίτρινες μπάλες είναι ιόντα Y³⁺, οι μεγαλύτερες πορτοκαλί μπάλλες είναι ιόντα  Ba²⁺.
Οι μικρές μπλε μπάλες άτομα Χαλκού και οι μικρές κόκκινες μπάλες ιόντα O^2-. Τα ενωμένα κελιά (κύτταρα) έχουν περίγραμμα κίτρινο. Οι μπλε πυραμίδες αναπαριστούν τα ενεργά ιόντα χαλκού που συνοδεύονται από ιόντα οξυγόνου. Οι κυανές παύλες παριστάνουν δεσμούς μεταξύ ιόντων χαλκού (στις στρώσεις του "ψωμιού") και ιόντα οξυγόνου.

Μετά το YBaCuO νέα και περισσότερο σύνθετα οξείδια του χαλκού ανακαλύφθηκαν και έχουν επιτευχθεί υψηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες Tc. Για να αυξήσουν την Tc μπορούμε να μνημονεύσουμε μια ολόκληρη οικογένεια του Βισμουθίου -που περιέχει οξείδια του χαλκού, μετά το Θάλλιο -σε βάση οξειδίων του χαλκού και τελικά τη σειρά του Υδραργύρου οξειδίων του χαλκού. Το τελευταίο διάστημα το ρεκόρ σε υψηλή θερμοκρασία υπεραγωγιμότητας Tc (130K, -143C) κατέχεται από το οξείδιο Ca₂Ba₂Cu₃HgO₈ , η δομή του οποίου φαίνεται πιό κάτω. Για σύγκριση επίσης συμπεριλαμβάνεται η δομή του CaBa₂Cu₂HgO₆ , το οποίο μπορεί να συγκριθεί εύκολα με αυτό του  YBa₂Cu₃O₆  .

CaBa₂Cu₂HgO₆   Ca₂Ba₂Cu₃HgO₈

Προοπτικές όψεις των δομών του  CaBa₂Cu₂HgO₆  and Ca₂Ba₂Cu₃HgO₈ (με Tc =130K). Οι μικρές άσπρες μπάλες είναι ιόντα Ca²⁺, οι μεγαλύτερες πορτοκαλί μπάλες είναι ιόντα Ba²⁺.
Οι μικρές μπλε μπάλες άτομα Χαλκού και οι μικρές ιώδεις μπάλες άτομα Υδραργύρου.  και οι μικρές κόκκινες μπάλες ιόντα O^2-. Τα ενωμένα κελλιά (κύτταρα) έχουν περίγραμμα κίτρινο. Οι μπλε πυραμίδες αναπαριστούν τα ενεργά ιόντα χαλκού που συνοδεύονται από πέντε ιόντα  O² οξυγόνου. Οι πράσινες παύλες παριστάνουν δεσμούς μεταξύ ιόντων Υδραργύρου Hg (στις στρώσεις του "ψωμιού") και ιόντα οξυγόνου.

Το ρεκόρ των 130K έφθασε το 1993 και από τότε τα πράγματα κυλάνε πιό αργά. Σημαίνει μήπως πως έφτασε στο τέλος η έρευνα των υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας-Tc;  Με κανένα τρόπο όχι!
Υπάρχουν άλλες όψεις των υλικών αυτών (HTSC) που χρειάζεται να βελτιωθούν και να εφαρμοστούν. Για παράδειγμα η επίτευξη υψηλών πυκνοτήτων ρευμάτων και η κατασκευή πρακτικών συσκευών είναι δύο χαρακτηριστικές περιπτώσεις.

Επικεντρώνοντας την έρευνα για νέα υλικά ποτέ δεν πρέπει να αρνούμαστε την δυνατότητα για ακόμη πιό υψηλές θερμοκρασίες ή άλλες βελτιώσεις στις ιδιότητες τους. Η σχετικά πρόσφατη ιστορία των υλικών HTSC δείχνει μια προτίμηση για επικίνδυνα μέταλλα (Bi, Tl, Hg) που είναι ιδιαίτερα τοξικά μέταλλα. Θα ήταν χρήσιμο να αλλάξουν αυτά τα βαρέα μέταλλα προς νέα υπεραγώγιμα οξείδια για να συντροφεύουν το έτσι χαλκό.

Υπεραγωγιμότητα: μια κατάσταση ορισμένων υλικών που έχουν ικανότητα να άγουν τον ηλεκτρισμό με μηδενική αντίσταση. Αυτή η ιδιότητα εξαφανίζεται πάνω από μια θερμοκρασία χαρακτηριστική του κάθε υλικού (κρίσιμος θερμοκρασία ή Tc), ή κάτω από ένα μαγνητικό πεδίο ισχυρώτερο από μια κρίσιμο τιμή (Hc) ή όταν υπόκειται προς μια πυκνότητα ρεύματος μεγαλύτερη από την χαρακτηριστική του κρίσιμη τιμή (Jc).

Δείτε και τα σχετικά άρθρα

• Υπεραγωγιμότητα: Ολοένα και σε υψηλώτερη θερμοκρασία