Gestość prądu krytycznego i mechanizm kotwiczenia wirów w nadprzewodnikach żelazowych syntezowanych technologią wysokociśnieniową

Nadprzewodnictwo jest fantastyczną właściwością materiałów, które przewodzą prąd elektryczny z zerowym oporem dla przepływu elektronów, a więc bez generowania niepożądanego ciepła z powodu efektów grzewczych Joule'a. Dodatkowo, gdy materiał znajduje się w stanie nadprzewodzącym, pole magnetyczne jest wypychane z jego objętości. Wszystkie te niezwykłe zjawiska występują poniżej pewnej temperatury krytycznej (Tc), która zwykle jest znacznie poniżej 0°C (273 K), a to bardzo utrudnia praktyczne zastosowania. W 1911 roku Kamerling Onnes odkrył nadprzewodnictwo, gdy schłodził rtęć do temperatury 4,2 K, tzn. tylko 4,2 stopnia powyżej zera absolutnego (-269oC). Materiały nadprzewodnikowe charakteryzują się trzema podstawowymi parametrami: temperaturą krytyczną Tc, górnym polem krytycznym Hc2 i krytyczną gęstością prądu Jc. Te dwa ostatnie są na ogół ważniejsze dla aplikacji niż temperatura. Niedawne odkrycie nadprzewodników z Tc w temperaturze pokojowej otrzymanych technikami wysokich ciśnień (HPT) wzbudziło znacznie większe zainteresowanie tą dziedziną. 

Przedstawiony tu projekt koncentruje się na jednej z najnowszych rodzin nadprzewodników o wysokim Tc (HTS) - nadprzewodnikach na bazie żelaza (FBS), odkrytych w 2008 roku. Wcześniejsze modele teoretyczne przewidywały, że żelazo, z powodu dużego momentu magnetycznego, jest szkodliwe dla pojawienia się nadprzewodnictwa. Dziś w ramach tej rodziny dostępnych jest ponad 100 związków o licznych nowatorskich właściwościach, które dają wyjątkową okazję do zrozumienia mechanizmu nadprzewodnictwa.

Wyjątkową właściwością FBS jest ich wysokie krytyczne pole magnetyczne Hc2, często sięgające 100 T.
Wartość ta znacznie przewyższa możliwości tak zwanych konwencjonalnych nadprzewodników, NbTi i Nb3Sn (z Hc2~25 T), które są obecnie stosowane w komercyjnych urządzeniach. Istnieją inne nadprzewodniki o podobnie wysokim Hc2, takie jak REBCO (REBa2Cu3Ox; RE = metale ziem rzadkich), które są jednak bardzo trudne i drogie w produkcji na dużą skalę. Niemniej jednak rekordowe stabilne pole magnetyczne 45 T zostało osiągnięte za pomocą cewki nadprzewodzącej REBCO umieszczonej wewnątrz tradycyjnej cewki miedzianej - pierwszej produkującej 33 T. Dzięki FBS wydaje się być możliwe osiągnięcie tej wartości lub wyższych pól magnetycznych bez użycia miedzianych cewek – to w dużej mierze zwiększyłoby dostępność takich urządzeń.

Aby opracować materiał o takich możliwościach, potrzebne są obecnie dalsze badania podstawowe.
Temperatura krytyczna Tc FBS mieści się w zakresie od 5 do 60 K i silnie zależy od subtelnych zmian w strukturze krystalicznej. Efekty te nie tylko informują o podstawowych właściwościach materiałów, ale także określają ich przydatność. W chwili obecnej Tc co najmniej 30 K jest oczekiwane przez branżę. Ponadto wysoki prąd krytyczny przy wysokich polach magnetycznych jest niezbędny, szczególnie do produkcji magnesów nadprzewodzących. Jc jest maksymalną gęstością prądu elektrycznego, który może przepływać przez materiał nadprzewodzący w określonej temperaturze i polu. FBS ma fantastyczną właściwość – ich wysoka gęstość prądu krytycznego Jc nie zmniejsza się znacząco wraz ze wzrostem pola magnetycznego. Ogólnie rzecz biorąc, dynamika wiru kontroluje całą odpowiedź elektromagnetyczną tych materiałów nadprzewodzących, w tym ich aktualną „nośność prądową”. Jednak fizyka wirów HTS jest nadal niejasna. Ze względu na te problemy nie można było zaprojektować próbek o dobrych właściwościach przenoszenia prądu – jest to wyzwaniem technologicznym dla niedawno odkrytych związków.

Nasz projekt badawczy ma unikalną cechę – metody syntezy wysokociśnieniowej i wysokotemperaturowej (HP-HTS). Odróżnia nas to od innych grup na całym świecie, które najczęściej wykorzystują przetwarzanie pod normalnym ciśnieniem. Technika wysokociśnieniowa jest unikalną, rzadką i wyrafinowaną techniką. Nieliczne raporty z badań technologicznych wykorzystujących wysokie ciśnienia przy wytwarzaniu FBS udowodniły, że technika ta jest bardziej korzystna w porównaniu z konwencjonalnymi metodami. Wprowadzona tu kontrolowana ciśnieniowa modyfikacja diagramu fazowego, zwiększona reaktywność komponentów czy zapobieganie parowaniu, dodatkowo poprawia własności nadprzewodzące. Do pełnego poznania i wykorzystania właściwości FBS potrzebne są szczegółowe i systematyczne badania serii próbek.

Projekt ten ma na celu skupienie się na wewnętrznych własnościach materiałów FBS, wpływających na
mechanizmy kotwiczenia wirów, wytwarzanych z pomocą technik wysokiego ciśnienia. Dwie ważne rodziny: 1111 (REFeAsO) (jako struktura domieszkowana) and 1144 (AeAFe4As4; Ae = Ca, Eu; A = K, Rb) (jako struktura stechiometryczna) będą zasadniczym celem badawczym tego projektu. Zaprojektujemy i skonfigurujemy technikę HP-HTS, a także system pomiarowy z uchwytem na próbki do charakteryzacji transportowej próbek w warunkach niskich temperatur i w wysokim polu magnetycznym. Zoptymalizujemy różne parametry syntezy, aby wyhodować wysokiej jakości monokryształy i cienkie warstwy metodą HP-HTS. Przygotowane próbki mają być charakteryzowane w szerokim zakresie pomiarów potwierdzających wysoką jakość próbek oraz pozwolić analizować właściwości nadprzewodzące i różne parametry kotwiczenia. Wyniki tego projektu dostarczą głębszego zrozumienia wewnętrznego mechanizmu unieruchomienia wirów i krytycznych właściwości prądowych FBS w aspekcie efektów chemicznych i stosowanego ciśnienia, które zostaną opublikowane w uznanych ważnych międzynarodowych czasopismach. Wreszcie, sukces tego projektu pozwoli wiarygodnie przewidzieć właściwości elektromagnetyczne rzeczywistych materiałów nadprzewodzących. Projekt ten pozwala również na zbudowanie i rozwój skutecznego zespołu badawczego, który skoncentruje się na badaniach podstawowych poprzez HPT w Polsce. Projekt ten wzmocni również polską współpracę w tej dziedzinie badań i wykaże, że przy użyciu unikalnych technologii, można spodziewać się unikatowych rezultatów. Będziemy również współpracować z różnymi polskimi grupami i będziemy dzielić się wiedzą i próbkami przeznaczonymi do bardziej zaawansowanych charakteryzacji fizykochemicznych.

Publikacje:

https://projekty.ncn.gov.pl/in...