QUE ES UN CUPRATO SUPERCONDUCTOR

 

Un cuprato superconductor es un tipo de material basado en óxidos de cobre que exhibe superconductividad a temperaturas relativamente altas en comparación con los superconductores convencionales. Estos materiales pertenecen a la familia de los superconductores de alta temperatura descubiertos en la década de 1980.

Características principales de los cupratos superconductores:

1. Estructura en capas:

   • Tienen planos de CuO₂ que son esenciales para la superconductividad.
   • Estos planos están separados por capas de otros elementos como lantano (La), bario (Ba), estroncio (Sr), calcio (Ca) o bismuto (Bi), que actúan como donadores o aceptores de carga.

2. Mecanismo de superconductividad:

   • Aún no se comprende completamente, pero se cree que involucra pares de Cooper mediados por fluctuaciones electrónicas en lugar de las vibraciones de la red cristalina (fonones), como en los superconductores convencionales.

3. Alta temperatura crítica ($T_c$):

   • Tienen temperaturas críticas superiores a las de los superconductores convencionales (que usualmente requieren enfriamiento con helio líquido).
   • Algunos cupratos, como el YBa₂Cu₃O₇ (YBCO), tienen $T_c$ alrededor de 90 K, permitiendo su enfriamiento con nitrógeno líquido (77 K).

4. Dopaje y fase superconductora:

   • Su superconductividad depende del dopaje con electrones o huecos.
   • Hay una transición de un estado aislante antiferromagnético a un estado metálico y luego a un estado superconductor al modificar la concentración de portadores de carga.

5. Ejemplos de cupratos superconductores:

   • BSCCO (Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, BSCCO-2212)
   • YBCO (YBa₂Cu₃O₇)
   • LSCO (La₂₋ₓSrₓCuO₄)

Los cupratos superconductores han sido fundamentales en el desarrollo de tecnologías basadas en superconductividad, como imanes superconductores, líneas de transmisión de energía y dispositivos electrónicos de alta precisión. 

 los cupratos superconductores derivan estructuralmente de las perovskitas, que son una clase de materiales con una estructura cristalina específica. La estructura de los cupratos superconductores puede considerarse una variante compleja de la estructura perovskita, en la que se apilan múltiples capas de CuO₂ separadas por otros elementos como lantano (La), bario (Ba), estroncio (Sr), calcio (Ca) o bismuto (Bi).

 

¿Qué es una perovskita?

Las perovskitas son materiales con una estructura cristalina basada en el tipo ABO₃, donde:

• A es un catión grande (como lantano La, calcio Ca, o bario Ba).
• B es un catión más pequeño (como titanio Ti, manganeso Mn o cobre Cu).
• O₃ representa los iones de oxígeno que rodean al catión B en una estructura octaédrica.

Esta estructura permite una gran flexibilidad química, lo que da lugar a diversas propiedades electrónicas, ópticas y magnéticas.

Representación de la estructura cristalina de una perovskita (ABO₃). Se pueden ver los cationes A en las esquinas, los cationes B en el centro y los átomos de oxígeno formando una coordinación octaédrica alrededor del catión B.

 

 

Relación entre cupratos superconductores y perovskitas

1. Estructura derivada:

   • Los cupratos superconductores son materiales derivados de la perovskita, pero en lugar de una estructura compacta ABO₃, tienen una disposición en capas.
   • Poseen planos de CuO₂ que son esenciales para la superconductividad, intercalados con otras capas que ajustan el dopaje y la separación entre planos.

2. Ejemplo: Perovskita simple vs. Cuprato superconductor

   • Perovskita clásica: LaMnO₃ (óxido de manganeso y lantano).
   • Cuprato superconductor: YBa₂Cu₃O₇ (YBCO), que puede describirse como una perovskita con capas adicionales.

3. Propiedades compartidas:

   • Ambos materiales tienen una fuerte correlación electrónica y pueden mostrar propiedades como superconductividad, magnetismo y ferroelectricidad.

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Aplicaciones de las perovskitas en general

Las perovskitas no solo son clave en los superconductores cupratos, sino que también tienen aplicaciones en:

• Celdas solares de perovskita (materiales de haluros de plomo para paneles solares de alta eficiencia).
• Materiales ferromagnéticos y ferroeléctricos (usados en sensores y memorias no volátiles).
• Catalizadores y materiales para baterías.

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En resumen, los cupratos superconductores son una evolución de las perovskitas, con una estructura más compleja que permite la superconductividad a temperaturas más altas.

 

1. LaMnO₃ (Óxido de manganeso y lantano - Perovskita clásica)

   • Estructura cúbica perovskita con La en las esquinas, Mn en el centro y O₂ formando un octaedro.
   • Es un material con propiedades ferromagnéticas y ferroeléctricas, pero no es un superconductor.

2. YBa₂Cu₃O₇ (YBCO - Cuprato superconductor de itrio y bario)

   • Tiene una estructura en capas, con CuO₂ formando planos superconductores, separados por Ba y Y.
   • Es uno de los superconductores de alta temperatura más usados, con una $T_c$ de aproximadamente 90 K.
   
   Representación de la estructura cristalina del cuprato superconductor de itrio YBa₂Cu₃O₇ (YBCO). Se pueden ver las capas de CuO₂, que son clave para la superconductividad, junto con los átomos de Y, Ba y O en su disposición estructural.
    

3. Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ (BSCCO - Cuprato superconductor de bismuto)

   • Similar a YBCO pero con una estructura más compleja y con capas adicionales de BiO y SrO.
   • Permite diferentes fases con más capas de CuO₂ (BSCCO-2212, BSCCO-2223).

    

   
   Representación de la estructura cristalina del cuprato superconductor en base bismuto (BSCCO-2212). Se pueden ver las capas de CuO₂ superconductoras, junto con las capas de BiO, Sr y Ca en una disposición en capas compleja.

    

   
   representación de la estructura cristalina del cuprato superconductor BSCCO-2223 (Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀). Se pueden ver las tres capas de CuO₂ por unidad celular, lo que lo diferencia de BSCCO-2212, junto con las capas de BiO, Sr y Ca en su disposición en capas.
    

Diferencias clave:

• LaMnO₃ es una perovskita clásica y no es superconductor, mientras que YBCO y BSCCO son superconductores cupratos.
• YBCO tiene una estructura más compacta y ordenada, mientras que BSCCO tiene una estructura más compleja y anisotrópica.
• BSCCO es más fácil de fabricar en forma de cintas superconductoras, mientras que YBCO requiere procesos más complejos.