Aplicaciones de los materiales cerámicos superconductores de alta temperatura crítica

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12

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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.

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.

ABSTRACT.—Applications of high T . superconductor ceramics.

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. 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: apan-

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.

2. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES SUPERCONDUCTORES

2.1. 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

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C. RILLO

(a ) ^ i

: Hg

lO'^Ohms

\J — 1

k .

(b)

0.008 -.-T:**. • ' w .4 . ,

0.006

Ba-La-Cu-0

0.00. ". •> 7 5 A / c m ^

• 2.5 A/em^ • 0.5 A/cm^

o.ooz

•r

4.20

T(K)

4.30 4.40 0 10 20 30 40 50

T(K)

Fig. 1.—Grújicas'de resistencia frente a temperatura de: a) Hg obtenida por Kamerlingh Onnes en 1911; b) Ba-La-Cu-O obtenida por Bednorz y

Müller en 1986.

entonces, se ha observado su aparición en muchos metales y alea­ciones. Hitos en este desarrollo fueron: 1) El descubrimiento de superconductividad en Nb (1930) con 7^=9,2 K (la más elevada en un elemento puro). 2) En 1973 se obtuvo una aleación de Nb-Ge superconductora con Tc=23,3 K (la más elevada en metales y aleaciones). 3) Bednorz y Müller (1986) revolucionaron el cam­po de la superconductividad al detectar propiedades superconduc-toras en óxidos metálicos (materiales cerámicos) de Ba-La-Cu-O 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 tempera­tura ambiente será necesario alcanzar T„ » 400 K.

2.2. Efecto Meissner, corrientes y campos críticos

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 supercon­

ductor, tras enfriarlo por debajo de T , se le aplica un campo mag­nético, éste no penetra en el interior. Mientras que la exclusión de flujo la presentaría también un conductor perfecto, la expulsión de flujo, o efecto Meissner, es una propiedad única de los supercon­ductores.

Dependiendo de su comportamiento frente a campos magnéti­cos, los materiales superconductores se clasifican en los llamados de tipo I y tipo II. Los de tipo I presentan efecto Meissner para campos magnéticos inferiores a un valor crítico H^,(T), T<T^. mientras que a campos superiores el material deja de ser supercon­ductor. Los superconductores tipo I presentan pocas aplicaciones prácticas dado que los campos críticos son bajos (unos pocos cien­tos de Oe).

A diferencia, los superconductores tipo II presentan decto Meiss­ner hasta valores inferiores a un campo crítico inferior H^. Por encima de H^ el material deja de ser homogéneo, permite la en­trada 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 en­cuentran entre 14 T (Nb-Ti) y 23 T (Nb-Sn), a 4,2 K, los valores correspondientes a Y-Ba-Cu-O son del orden de 100 T (4). Los SAT han puesto de manifiesto la existencia de un campo de irre-versibilidad H,,,, Hc,<H¡rr<Hc2 (figura 3) (5), por encima del cual la imanación es reversible, y hay disipación de potencia cuan­do pasa una corriente eléctrica.

4nM

Fig. 3>.—Curva de imanación frente a campo, 4TM(H), de un supercon­ductor 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 del flujo magnético en forma de tubos de flujo). Por encima de //,y^ los tubos de flujo se mueven libremente, por lo que el ma­terial no soporta corriente eléctrica. Por encima de H^2 ^^ rnaterial está

en estado normal.

Para 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 (mi-croelectrónica) 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.

T>Tc, Ha = Ho T < Te, Ha = HQ

Fig. 2.—Representación esquemática del efecto Meissner de un material superconductor cuando es enfriado por debajo de T^ en presencia de un

campo aplicado H^=HQ.

2.3. Cuantifícación del flujo magnético

Cuando un anillo superconductor se enfría en presencia de un campo magnético, en el instante de atravesar T el flujo es expul-

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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=ílo T<Tc, Ha = 0

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.

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 comer-cialmente.

^ ^ 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.

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).

TABLA I

PARÁMETROS BÁSICOS DE UN SAT (YBA2Cu307_5 a 77 k), FRENTE A LOS DE UN SUPERCONDUCTOR CLASICO

(Nb a 4,2 K)

Material y dirección

Te (K)

OT) (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^

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 carbona-tos. 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. 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-Sr-Ca-Cu-O, con T^,« 85-110 K. 3) Tl-Ca-Ba-Cu-O con T,«120 K (10).

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.

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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 his-téresis magnética (12) y se reducen sustancialmente al mejorar las uniones entre los granos y el grado de orientación.

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 so-lenoidal 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).

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 (IS-TEC, 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.

4.4. 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 adi-mensional que viene dado por la expresión (17):

7 = • 27rkRT _ Ij

%lc IT

27rkBT [1]

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=IVaIc 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

410 BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. VOL. 30 - NUM. 5

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V = V g ; 2A(T) [3]

xima de una unión S-N-S viene dada por el máximo valor de la frecuencia característica de la unión co y ésta es

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):

K)n,ax«15n-[Te(T,-T)] '« para T<T, . [5]

1= 27rLI,

[4]

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 induc-tancias tan pequeñas es mediante estructuras formadas por micro-líneas 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-

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 estrangula-miento 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).

a)

p [ I B

1

í Vo

1 p [ I B

1

>

100

Nb de SQUID. 4,2 K

A A A A A A 50 mm\

\ 1 L.. __ 1

O.

b) < i •

Á

Q i„

^ I 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 en­

cuentran a baja temperatura.

>

n-Ba-Ca-Cu-O de SQUED, 77 K

.*• \ i f, ? ;> >.«.!• \ ¡I o •• " « 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.

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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 magneto-metros 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 L O O p H .

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 mag-netómetros SQUID de baja temperatura (figura 8).

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 voltaje fiíncionando a 77 K en un plazo medio.

5.4. Apantallamiento electromagnético

a >^-?W-T=T—í

0 • I • • • h* •

W-K-1 2 3 4 5 6

[ w\ 25 pT I "'

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).

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

6. CONCLUSIONES

Los materiales SAT presentan propiedades específicas (granula-ridad, 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.

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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.

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).

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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.

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, co­mo en los de conformación, para su desarrollo, de pie;?o-elementos cerámicos basados en TiOsPb.

ABSTRACT.—Piezoceramic materials based in TiO^Pb.

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. 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 tecno­

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.

SEPTIEMBRE-OCTUBRE, 1991 413