Un crecimiento ultrarrápido de capas superconductoras

Los materiales superconductores son aquellos que no ofrecen resistencia eléctrica al paso de corriente. Para que puedan ser económicamente viables y competitivos en el mercado actual, es importante poder fabricarlos a gran escala, a bajo coste, con un procedimiento respetuoso con el medio ambiente, y consiguiendo unas grandes prestaciones.

El proceso de síntesis tiene que estar muy bien controlado, ya que para que un material se comporte como un superconductor debe tener una estructura muy bien definida, y hay muchos factores que pueden modificarla (temperatura, presión, composición...). Conseguir un buen método que permita la producción del material en continuo, y su aplicación a campos magnéticos elevados, es uno de los retos más importantes en este sector.

Ahora, el grupo de investigación en Materiales Superconductores (SUMAN) del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), liderado por la profesora Teresa Puig, en colaboración con investigadores de la Universidad de Girona, de la Universidad Autónoma de Barcelona, ​​y del Sincrotrón SOLEIL, ha conseguido producir capas superconductoras mediante un proceso que permite un crecimiento ultrarrápido de las capas superconductoras de YBCO (óxido de cobre, bario e itrio) de manera controlada. Las capas superconductoras crecen a una velocidad de 100 nm/s en un proceso simplificado, totalmente escalable y de bajo coste.

"Hemos logrado un proceso hasta 100 veces más rápido que los procesos existentes actualmente" afirma Puig, investigadora principal del proyecto del Consejo Europeo de Investigación (ERC) Advanced ULTRASUPERTAPE, donde se enmarca este estudio. "El nuevo proceso representa un avance y un punto de inflexión en la síntesis de capas superconductoras" continúa.

Es un proceso mucho más simplificado, que utiliza precursores respetuosos con el medio ambiente, ya que no contienen flúor, en comparación con los métodos estándares de deposición de soluciones químicas. Además, se pasa por una fase líquida transitoria que permite, en las condiciones de presión y temperatura adecuadas, el crecimiento ultrarrápido de la capa superconductora, con la estructura y composición deseada.

Difracción de rayos X en un sincrotrón

El estudio, publicado en la revista Nature Communications, incluye la difracción de rayos X en sincrotrón in situ y la microscopía electrónica de alta resolución, que han permitido entender el proceso de crecimiento de las capas superconductoras y estudiar su estructura. "Las medidas de sincrotrón in situ, mientras tiene lugar el crecimiento, han sido cruciales para el conocimiento del proceso y para ver que el crecimiento es, efectivamente, ultrarrápido" afirma Puig.

Además, "por primera vez se ha podido demostrar que se pueden incorporar nanopartículas a la estructura del superconductor para formar los nanocompuestos superconductores y mantener el crecimiento a 100 nm/s" indica la investigadora.

Estos nanocompuestos son indispensables para que el material siga siendo superconductor y pueda transportar altas densidades de corriente en aplicaciones que requieren campos magnéticos elevados, como por ejemplo en el campo de las energías renovables (generadores eólicos, reactores de fusión), transporte (aviación eléctrica), o en imanes para aplicaciones en física de altas energías (aceleradores de partículas).

La profesora Teresa Puig ha obtenido recientemente un proyecto ERC Proof-of-Concept para estudiar la viabilidad industrial y tecnológica de este proceso, que permitiría producir capas superconductoras a gran escala de interés para las aplicaciones mencionadas, de una manera económicamente viable.

Referencia bibliográfica:

"Ultrafast transient liquid assisted growth of high corrent density superconducting films". L. Soler, J. Jareño, J. Banchewski, S. Rasi, N. Chamorro, R. Guzman, R. Yáñez, C. Mocuta, S. Ricart, J. Farjas, P. Roura-Grabulosa, X. Obradors, T. Puig. Nature Communications 11, 344 (2020) doi:10.1038/s41467-019-13791-1. Published: 17 Jan 2020.