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Il diboruro di magnesio (MgB2) è un composto ionico binario che è si è dimostrato come un utile e poco costoso materiale superconduttore.

Diboruro di magnesio
Aspetto del diboruro di magnesio
Struttura cristallina del diboruro di magnesio, con il boro in rosa e il magnesio in color verde.
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare MgB2
Massa molecolare (u) 45,93 g/mol
Aspetto solido marrone scuro metacromatico
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.) 2,57 g/cm3 (25 °C)
Solubilità in acqua insolubile in acqua
Temperatura di fusione 830 °C (si decompone)
Indicazioni di sicurezza
Frasi R --
Frasi S --

StoriaModifica

Le sue potenzialità come superconduttore sono state annunciate nella rivista americana Nature nel marzo del 2001.[1] La sua temperatura critica (Tc) di 39 gradi Kelvin è la più alta tra i superconduttori convenzionali. Questo materiale venne sintetizzato per la prima volta, e la sua struttura chimica confermata nel 1953,[2] ma le sue proprietà come superconduttore non sono state scoperte se non nel 2001. La scoperta generò un grande entusiasmo, in parte giustificato.[3]

Anche se in genere si pensa che sia un superconduttore convenzionale (mediato da fononi), si tratta di uno piuttosto inusuale. La sua struttura elettronica è tale che esistono due tipi di elettroni nel livello di Fermi con comportamenti ampiamente differenti, dal momento che uno di questi (con legame sigma) è molto più fortemente superconduttivo rispetto all'altro (con legame pi). Questo contrasta con le normali teorie della superconduttività mediata da fononi, che stabilisce che tutti gli elettroni devono comportarsi nella stessa maniera. La comprensione teorica delle proprietà del MgB2 è stata quasi del tutto raggiunta grazie a due "gap" di energia. Nel 2001 si riteneva che si comportasse più come un superconduttore metallico che come un superconduttore a composti del rame.[4]

SintesiModifica

Non è facile sintetizzare il diboruro di magnesio, ma comunque può essere sintetizzato in vari modi. Il più semplice è quello della reazione ad alta temperatura tra polveri di boro e magnesio. La formazione inizia a 650 °C; ma nonostante questo, dal momento che il magnesio metallico fonde a 652 °C, si considera che il meccanismo di reazione venga moderato dalla diffusione del vapore di magnesio attraverso i confini dei grani di boro. Alle temperature di reazione convenzionali, la sinterizzazione è minima, anche se avviene sufficiente ricristallizzazione dei granuli da consentire l'effetto tunnel di Josephson tra i granuli.

Cavi in diboruro di magnesio superconduttività possono essere prodotti attraverso il processo "polvere in un tubo" (con acronimo inglese "PIT", da powder-in-tube). Nella variante in situ, una miscela di boro e magnesio (non la molecola definitiva) viene versata in un tubo metallico, dal quale per estrusione si ottiene un cilindro che viene ridotto in diametro dalla trafilatura convenzionale. Il cavo viene in seguito riscaldato alla temperatura di reazione che darà luogo a MgB2 all'interno. Nella variante ex situ, il tubo viene riempito con MgB2 in polvere, ridotto di diametro, e sinterizzato a una temperatura dai 800 ai 1000 °C. In entrambi i casi, una successiva pressatura isostatica calda a circa 950 °C incrementa ulteriormente le proprietà.

Il processo noto come HPCVD (dall'inglese Hybrid physical-chemical vapor deposition) è stata la tecnica più efficace per depositare film sottili di diboruro di magnesio (MgB2).[5] Le superfici di film sottili di MgB2 che vengono depositate da altre tecnologie sono spesso rozze, ruvide e non-stechiometriche. In contrasto, il sistema HPCVD può formare film puri di MgB2 di alta qualità in situ, che hanno superfici lisce, condizione richiesta per per costruire giunzioni Josephson uniformi e riproducibili, uno dei requisiti fondamentali dei circuiti superconduttivi.

Proprietà elettromagneticheModifica

Le proprietà dipendono grandemente dalla composizione e dal processo di fabbricazione. Molte proprietà sono anisotropiche a causa della struttura a strati. Campioni 'sporchi', come ad esempio, con ossidi ai confini del cristallo, sono differenti dai campioni 'puliti'.[6]

  • La più alta temperatura superconduttiva di transizione Tc è di 39° Kelvin.
  • MgB2 è un superconduttore di tipo II (in inglese: en:type-II superconductor), ossia che campi magnetici che si incrementano progressivamente gradualmente penetrano il composto.
  • La corrente critica massima (Jc) è di: 105 A/m2 a 20 T, 106 A/m2 a 18 T, 107 A/m2 at 15 T, 108 A/m2 at 10 T, 109 A/m2 at 5 T.[6]
  • Nel 2008 venne scoperto che il campo critico superiore (in inglese: en:Upper critical field) (Hc2): (parallelo ai piani ab) è di circa ~14.8 Tesla, (perpendicolare ai piani ab) ~3.3 T, in film sottili fino a 74 T, in fibre fino a 55 Tesla.[6]

Stato semi-MeissnerModifica

Usando la teoria BCS e conoscendo i gap di energia delle bande di elettroni pi e sigma, che sono di 2,2 e 7,1 meV, è stato scoperto che le bande pi e sigma hanno due differenti lunghezze di coerenza, 51 nm e 13 nm.[7] Le corrispondenti profondità di penetrazione di London sono 33,6 nm e 47,8 nm. Questo implica che le costanti di Ginzburg-Landau sono 0,66±0.02 e 3,68 rispettivamente. Il primo è meno di 1/√2 e il secondo è maggiore, e quindi il primo sembra indicare una superconduttività "marginale" di I tipo e il secondo una superconduttività "piena" di II tipo.

Si prevede che quando due diverse bande di elettroni danno luogo a due quasi-particelle, una delle quali ha una lunghezza di coerenza che indicherebbe la superconduttività di tipo I e l'altra che indicherebbe il tipo II, allora in certi casi, i vortici si attraggono alle distanze corte e manifestano repulsione alle lunghe distanze.[8] In particolare, l'energia potenziale tra i vortici viene minimizzata alla distanza critica. Come conseguenza si ipotizza un nuova fase denominata stato semi-Meissner, nel quale i vortici sono separati dalla distanza critica. Quando il flusso che viene applicato è troppo piccolo per che l'intero superconduttore venga riempito con un lattice di vortici separati dalla distanza critica, allora vi sono ampie regioni di superconduttività di tipo I, uno stato di Meissner, che separa questi domain.

La conferma esperimentale per questa congettura è arrivata recentemente grazie a esperimenti eseguiti sul MgB2 alla temperatura di 4,2 kelvin. Gli autori hanno scoperto che vi sono davvero regimi con una densità di vortici molto più grande. Mentre la tipica variazione nella spaziatura tra i vortici di Abrikosov in un superconduttore di tipo II è dell' ordine del 1%, loro hanno trovato una variazione dell'ordine del 50%, in linea con l'idea che i vortici si possano risistemare in domini dove possono essere separati dalla distanza critica. Il termine superconduttore di tipo 1,5 (in inglese en:type-1.5 superconductor) è stato coniato per questo stato.[7]

Migliorie grazie al drogaggio chimicoModifica

Vari metodi di "doping" del MgB2 con carbonio (ad.es. usando un 10% di acido malico) possono migliorare il campo critico superiore e la densità di corrente massima[9][10] (anche con acetato di polivinile[11]).

Un doping del 5% con carbonio può innalzare la Hc2 da 16 Tesla fino a 36 T mentre abbassa la Tc soltanto di 5°Kelvin (da 39 K a 34 K). La massima corrente critica (Jc) viene ridotta, ma il doping con TiB2 può ridurre il decremento.[12] (Il drogaggio del MgB2 con titanio è un processo brevettato. [13])

La massima corrente critica (Jc) in un campo magnetico viene grandemente incrementata grazie al doping con ZrB2.[14]

Anche piccole quantità di doping fanno che entrambe le bande passino nel regime di superconduttività di tipe II e dunque non si deve attendere lo stato semi-Meissner.

Conduttività termicaModifica

MgB2 è un superconduttore multi-banda, che significa che ogni superficie di Fermi ha differenti "gap" di energia superconduttiva. Per il MgB2, il legame sigma del boro è forte, e induce un ampio "intervallo" superconduttivo tipo onda-s, mentre il legame π è debole e induce uno stretto "gap s-wave".[15] Gli stati di quasi-particella ("quasiparticle states") dei vortici del gap ampio sono altamente confinati al core del vortice. D'altra parte, gli stati di quasi-particella del piccolo gap sono legati in modo lasco al cuore del vortice. Dunque essi possono essere de-localizzati e sovrapposti facilmente tra vertici adiacenti.[16] Queste delocalizzazioni possono contribuire fortemente alla conduttività termica, che mostra bruschi incrementi sopra Hc1.[17] Per queste applicazioni, la polvere di MgB2 viene compressa assieme ad argento metallico in nastri, grazie ad un processo denominato PIT.

Nel 2006 venne costruito un magnete superconduttivo da 0,5 tesla destinato ad un apparecchio di risonanza magnetica nucleare, servendosi di 18 km di cavi di MgB2. Questo apparecchio MRI utilizzava un cryocooler a ciclo chiuso (closed-loop), che non richiede di liquidi criogenici (azoto liquido oppure elio liquido) per essere raffreddato.[18][19]

"...la prossima generazione degli strumenti MRI dovrà essere essere costruita con bobine in MgB2 invece che con le bobine di titanato di niobio (NbTi), operando nell'ambito delle temperature dei 20–25° K senza la necessità dell'elio liquido per il rafreddamento. ... Inoltre le applicazioni magnetiche dei conduttori a MgB2 si estendono ai trasformatori superconduttivi, ai rotori ed ai cavi di trasmissione a temperature attorno ai 25 K, in campi magnetici di circa 1 Tesla."[20]

Si possono utilizzare sottili rivestimenti di MgB2 in cavità a radiofrequenza superconduttive per minimizzare la perdita di energia e per ridurre l'inefficienza delle cavità di niobio raffreddate ad elio liquido.

Grazie al basso costo dei suoi elementi costitutivi, il MgB2 è un candidato promettente per l'utilizzo in magneti superconduttivi con campo da basso a medio (0,5 a 1,5 tesla), in motori elettrici e generatori, in limitatori di corrente di difetto e nelle guide di corrente.

NoteModifica

  1. Jun Nagamatsu, Norimasa Nakagawa, Takahiro Muranaka, Yuji Zenitani and Jun Akimitsu (1º marzo 2001). Superconductivity at 39 K in magnesium diboride. Nature 410 (6824). DOI:10.1038/35065039.
  2. Morton E. Jones and Richard E. Marsh (1954). The Preparation and Structure of Magnesium Boride, MgB2. Journal of the American Chemical Society 76 (5). DOI:10.1021/ja01634a089.
  3. 3135 citations in the Scopus (database)
  4. Larbalestier, D. C. (2001). Strongly linked current flow in polycrystalline forms of the superconductor MgB2.. Nature 410 (6825): 186–189. DOI:10.1038/35065559.
  5. X.X. Xi et al. (2007-February-14). MgB2 thin films by hybrid physical-chemical vapor deposition. Physica C 456: 22–37. DOI:10.1016/j.physc.2007.01.029.
  6. 6,0 6,1 6,2 Eisterer, M (2007). Magnetic properties and critical currents of MgB2. Superconductor Science and Technology 20 (12): R47. DOI:10.1088/0953-2048/20/12/R01.
  7. 7,0 7,1 V. V. Moshchalkov, M. Menghini, T. Nishio, Q.H. Chen, A.V. Silhanek, V.H. Dao, L.F. Chibotaru, N. D. Zhigadlo, J. Karpinsky (2009). Type-1.5 Superconductors. Physical Review Letters 102 (11). DOI:10.1103/PhysRevLett.102.117001.
  8. Egor Babaev and Martin Speight, "Semi-Meissner state and neither type-I nor type-II superconductivity in multicomponent systems"
  9. M S A Hossain et al. (2007). Significant enhancement of Hc2 e la Hirr negli agglomerati di MgB2+C4H6O5 alla temperatura di sinterizzazione di 600 °C. Superconductor Science and Technology 20 (8): L51. DOI:10.1088/0953-2048/20/8/L03.
  10. Yamada, H (2007). The excellent superconducting properties of in situ powder-in-tube processed MgB2 tapes with both ethyltoluene and SiC powder added. Superconductor Science and Technology 20 (6): L30. DOI:10.1088/0953-2048/20/6/L02.
  11. Vajpayee, A (2007). Effect of PVA doping on flux pinning in Bulk MgB2. Physica C: Superconductivity 466: 46–50. DOI:10.1016/j.physc.2007.05.046.
  12. MgB2 Properties Enhanced by Doping with Carbon Atoms
  13. Yong Zhao et al "MgB2—based superconductor with high critical current density, and method for manufacturing the same" Template:US patent, Issue date: Oct 11, 2005
  14. Ma, Y. (2006). Doping effects of ZrC and ZrB2 in the powder-in-tube processed MgB2 tapes. Chinese Science Bulletin 51 (21): 2669–2672. DOI:10.1007/s11434-006-2155-4.
  15. Sologubenko, A. V. (2002). Thermal conductivity of single crystalline MgB2. Physical Review B 66. DOI:10.1103/PhysRevB.66.014504.
  16. Nakai, Noriyuki (2002). Field Dependence of Electronic Specific Heat in Two-Band Superconductors. Journal of the Physical Society of Japan 71: 23. DOI:10.1143/JPSJ.71.23.
  17. Vinod, K (2007). Prospects for MgB2 superconductors for magnet application. Superconductor Science and Technology 20: R1–R13. DOI:10.1088/0953-2048/20/1/R01.
  18. First MRI system based on the new Magnesium Diboride superconductor (PDF). Columbus Superconductors. URL consultato il 2008-09-22.
  19. Braccini, Valeria (2007). Development of ex situ processed MgB2 wires and their applications to magnets. Physica C: Superconductivity 456 (1–2): 209–217. DOI:10.1016/j.physc.2007.01.030.
  20. Errore nella funzione Cite: Marcatore <ref> non valido; non è stato indicato alcun testo per il marcatore Vinod

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