s
19 708 Pages

diborure de magnésium
Apparition de diborure de magnésium
structure cristalline du diborure de magnésium avec du bore et du magnésium en rose en vert.
Caractéristiques principales
Formule moléculaire ou moléculaire MgB2
masse moléculaire (u) 45,93 g / mol
apparence métachromatique brun foncé solide
CAS 12007-25-9
Einecs 234-501-2
PubChem 15987061
SOURIRES [B]. [B]. [Mg]
propriétés physico-chimiques
densité (G / cm3, en C.S.) 2,57 g / cm3 (25 ° C)
solubilité en eau insoluble dans l'eau
Point de fusion 830 ° C (décomposition)
Consignes de sécurité
phrases R --
phrases S --

la diborure de magnésium (MgB2) Il est composé ionique binaire qu'il a prouvé un matériau utile et bon marché supraconducteur.

histoire

Son potentiel en tant que supraconducteur a été annoncé dans le magazine américain nature dans Mars 2001.[1] son température critique (Tc) 39 kelvin Il est le plus élevé parmi les supraconducteurs conventionnels. Ce matériau a été synthétisé pour la première fois en 1953,[2] mais ses propriétés en tant que supraconducteur n'ont pas été découverts sinon dans 2001. La découverte a suscité un grand enthousiasme, en partie justifiée.[3]

Bien qu'il soit généralement supposé être supraconducteur conventionnel (à médiation par phonons), C'est un peu hors du commun. Sa structure électronique est telle qu'il existe deux types d'électrons niveau de Fermi avec des comportements très différents, puisque l'un de ceux-ci (avec lien sigma) est beaucoup de respect plus fortement supraconductrice à l'autre (avec liaison pi). Cela contraste avec les théories normales de médiation supraconductivité par phonons, qui stipule que tous les électrons doivent se comporter de la même manière. La compréhension théorique des propriétés de l'entreprise MGB2 Il a été presque entièrement réalisé grâce à deux « Gap » de l'énergie. en 2001 on croyait que se comporte plus comme un supraconducteur métallique qu'en tant que composés de cuivre supraconducteur.[4]

résumé

Il est difficile de synthétiser le diborure de magnésium, mais peut encore être synthétisé de diverses manières. Le plus simple est celle de la réaction à haute température entre poudres bore et magnésium. La formation commence à 650 ° C; mais, malgré cela, étant donné que le magnésium métallique fond à 652 ° C, il est considéré que le mécanisme de réaction est modérée par propagation de la vapeur de magnésium à travers les joints de grains de bore. A des températures de réaction classiques, la frittage Il est minime, même si une recristallisation suffisante des granulés a lieu pour permettre l 'effet tunnel de Josephson entre les granulés.

Câbles en diborure de magnésium supraconducteur Ils peuvent être produits par le « processus de poussière dans un » tube (acronyme anglais de « PIT », par la poudre dans tube). Dans la variante in situ, un mélange le bore et le magnésium (et non le molécule final) est versé dans un tube métallique, qui, pour extrusion Il est obtenu par un cylindre qui est réduite en diamètre par la dessin classique. Le câble est ensuite chauffé à la température de réaction qui donnera lieu à MgB2 à l'intérieur. Dans la variante ex situ, le tube est rempli de MgB2 poudre, de diamètre réduit, et fritté à une température de 800 à 1000 ° C Dans les deux cas, un pressage isostatique à chaud ultérieur à environ 950 ° C améliore encore les propriétés.

Le procédé connu sous le nom HPCVD est la technique la plus efficace pour le dépôt de films minces de diborure de magnésium (MgB2).[5] Les surfaces de film mince de MgB2 qui sont déposés par d'autres technologies sont souvent brut, rugueux et non-stoechiométrique. En revanche, le système peut former un film HPCVD pur de MgB2 haute qualité in situ, qui ont des surfaces lisses, la condition de demande de construire jonctions Josephson uniforme et reproductible, l'une des exigences fondamentales des circuits supraconducteurs.

propriétés électromagnétiques

Les propriétés dépendent fortement de la composition et du procédé de fabrication. De nombreuses propriétés sont anisotrope en raison de la structure en couches. Les échantillons « sale », comme, par exemple, avec des oxydes aux limites de cristal, sont différents des échantillons « propres ».[6]

  • La température de transition de supraconduction la plus élevée Tc Il est 39 kelvin.
  • MgB2 est un supraconducteur de type II, à savoir que les champs magnétiques augmentent progressivement pénètrent progressivement le composé.
  • Le courant critique maximale (Jc): 105 A/ m2 20 T, 106 A / m2 18 T, 107 A / m2 à 15 T, 108 A / m2 à 10 T, 109 A / m2 à 5 T.[6]
  • En 2008, il a été découvert que le champ critique supérieur (Hc2): (Parallèle aux plans ab) Est d'environ 14,8 ~ tesla, (Perpendiculaire aux plans ab) ~ 3,3 T, en couches minces jusqu'à 74 T, des fibres allant jusqu'à 55 teslas.[6]

état semi-Meissner

En utilisant la théorie BCS et connaissant l'écart énergétique des électrons pi et bandes sigma, qui sont 2,2 et 7,1 meV, il a été découvert que les bandes de pi et sigma ont deux longueurs différentes de cohérence, 51 nm et 13 nm.[7] La profondeur correspondante de Londres profondeur de pénétration est de 33,6 nm et 47,8 nm. Cela implique que les constantes de Ginzburg-Landau sont 0,66 ± 0,02 et 3,68 respectivement. La première est inférieure à 1 / √2 et le second est plus grand, et donc le premier semble indiquer une supraconductivité de type « marginal » I et le second une supraconductivité « complète » de type II.

Il est prévu que, lorsque deux bandes différentes d'électrons donnent naissance à deux quasi particules, dont l'un a une longueur de cohérence qui indiquerait la supraconductivité de type I et l'autre qui indiquerait le type II, alors, dans certains cas, les tourbillons sont attirer à de courtes distances et la répulsion se produisent à des distances longues.[8] En particulier, l 'énergie potentielle entre elle est réduite des tourbillons à la distance critique. En conséquence, on suppose une nouvelle phase appelée état semi-Meissner, dans lequel les tourbillons sont séparés par la distance critique. Lorsque le débit qui est appliqué est trop petit pour l'ensemble supraconductrice est rempli d'un latex de tourbillons séparés par la distance critique, alors il y a de grandes régions de type supraconductivité I, un état de Meissner, qui sépare ces domaines.

La confirmation expérimentale de cette conjecture est arrivé récemment grâce à des expériences effectuées MGB2 4,2 à la température kelvin. Les auteurs ont constaté qu'il ya effectivement des régimes avec une densité de tourbillons beaucoup plus. Alors que la variation typique de l'espacement entre les tourbillons Abrikosov dans est de l'ordre de 1% du supraconducteur de type II, ils ont trouvé une variation de l'ordre de 50%, conformément à l'idée que les tourbillons peuvent être Réorganiser domaines où elles peuvent être séparées par la distance critique. le terme Supraconducteur de type 1,5 Il a été inventé pour cet état.[7]

Amélioration grâce au dopage chimique

Diverses méthodes de « dopage » MgB2 avec carbone (Ad.es. en utilisant un 10% l'acide malique) Peut améliorer le champ critique et la densité de courant maximale[9][10] (Même avec acétate de polyvinyle[11]).

Un dopage de 5% avec du carbone peut augmenter le Hc2 de 16 à 36 tesla T tout en abaissant le Tc seulement 5 kelvin (A partir de 39 K à 34 K). Le courant critique maximale (Jc) Est réduite, mais le dopage avec TiB2 Il peut réduire la baisse.[12] (Le dopage de MgB2 avec titane Il est un procédé breveté.[13])

Le courant critique maximale (Jc) Dans un champ magnétique, il est fortement augmenté en raison de dopage avec ZrB2.[14]

Même de petites quantités de dopage sont que les deux bandes passent dans le régime de la supraconductivité de type II et donc vous ne devriez pas attendre que l'état semi-Meissner.

La conductivité thermique

MgB2 est un supraconducteur à bandes multiples, ce qui signifie que chaque surface fermi Il a différents « gap » d'énergie supraconducteur. Pour MGB2, la lien sigma la bore est forte, et induit une onde d'un grand « intervalle » type de supraconducteur, tandis que le liaison π Il est faible et induit « l'onde de gap » une étroite.[15] Les états de quasiparticules ( « états quasiparticules ») des grands tourbillons d'espacement sont très limitées au coeur du tourbillon. D'autre part, les états de quasi-particule de la petite fente sont plus ou moins liés au coeur du vortex. Par conséquent, ils peuvent être délocalisées dans et facilement entre les sommets adjacents superposés.[16] Ces délocalisations peuvent fortement contribuer à la conductivité thermique, ce qui montre une augmentation abrupte au-dessus de Hc1.[15]

applications possibles

Ses propriétés supraconductrices et la rentabilité font le diborure de magnésium pour une large variété d'applications.[17] Pour ces applications, la poussière MgB2 Il est compressé avec argent rubans métalliques, grâce à un processus appelé PIT.

en 2006 Il a été construit un aimant supraconducteur de 0,5 tesla destiné à un dispositif RMN, à l'aide de câbles MGB 18 km2. Cet appareil d'IRM utilise une boucle fermée de dispositif de refroidissement cryogénique (en boucle fermée), qui ne nécessite pas de liquide cryogénique (l'azote liquide ou de l'hélium liquide) à refroidir.[18][19]

» ... la prochaine génération d'instruments d'IRM doit être construit avec bobines MgB2 au lieu de bobines titanate de niobium (NbTi), fonctionnant sous des températures de 20 à 25 K sans qu'il soit nécessaire de l'hélium liquide pour le refroidissement « . En outre, les applications des conducteurs magnétiques MGB2 étendre à transformateurs supraconducteur, les rotors et les câbles de transmission à des températures autour de 25 K, et dans des champs magnétiques d'environ 1 tesla ".[17]

Vous pouvez utiliser des revêtements minces de MgB2 dans la cavité supraconductrice radiofréquence pour minimiser la perte d'énergie et de réduire l'inefficacité de la cavité niobium hélium liquide refroidi.

Merci au faible coût de ses éléments constitutifs, MGB2 est un candidat prometteur pour une utilisation dans des aimants supraconducteurs de faible à moyenne (0,5 à 1,5 tesla), des moteurs électriques et des générateurs, des limiteurs de courant de défaut et dans les guides actuels.

notes

  1. ^ Juin Nagamatsu, Norimasa Nakagawa, Takahiro Muranaka, Yuji Zenitani et Jun Akimitsu, Supraconductivité à 39 K dans le diborure de magnésium (PDF), Dans nature, vol. 410, nº 6824, Mars 1, 2001, p. 63 bibcode:2001Natur.410 ... 63N, DOI:10.1038 / 35065039, PMID 11242039.
  2. ^ Morton E. Jones et Richard E. Marsh, La préparation et la structure de magnésium Boride MGB2, en Journal de l'American Chemical Society, vol. 76, nº 5, 1954, p. 1434 DOI:10.1021 / ja01634a089.
  3. ^ 3135 citations dans le Scopus (base de données)
  4. ^ D. C. Larbalestier, D. L. Cooley, M. O. Rikel, A. A. Polyanskii, J. Jiang, S. Patnaik, X. Y. Cai, D. M. Feldmann et A. Gurevich, Fortement lié flux de courant dans les formes polycristallins du supraconducteur MgB2., en nature, vol. 410, nº 6825, 2001, pp. 186-189, bibcode:2001Natur.410..186L, DOI:10.1038 / 35065559, PMID 11242073, arXiv:cond-mat / 0102216.
  5. ^ X.x. Xi et al., MgB2 films minces par dépôt en phase vapeur physique et chimique hybride, en physica C, vol. 456, le 14 Février 2007, pp. 22-37, bibcode:2007PhyC..456 22X ..., DOI:10.1016 / j.physc.2007.01.029.
  6. ^ à b c Eisterer, M, propriétés magnétiques et des courants critiques de l'entreprise MGB2, en Superconductor Science et technologie, vol. 20, nº 12, 2007, pp. R47, bibcode:2007SuScT..20R..47E, DOI:10,1088 / 0953-2048 / 20/12 / R01.
  7. ^ à b Moshchalkov V. V., M. Menghini, T. Nishio, Q.H. Chen, vide poussé Šilhánek, V.H. Dao, L.F. Chibotaru, N. D. Zhigadlo, J. Karpinski, Type-1,5 Supraconducteurs, en Physical Review Letters, vol. 102, nº 11, 2009, p. 117001, bibcode:2009PhRvL.102k7001M, DOI:10.1103 / PhysRevLett.102.117001, PMID 19392228.
  8. ^ Egor Babaev et Martin Speight, "état semi-Meissner et ni moi ni supraconductivité type de type II dans les systèmes multi-composants"
  9. ^ M S A Hossain et al., amélioration significative de Hc2 et dans les agglomérations hirr MGB2+C4H6OU5 à 600 ° C température de frittage, en Superconductor Science et technologie, vol. 20, n ° 8, 2007, pp. L51, bibcode:2007SuScT..20L..51H, DOI:10,1088 / 0953-2048 / 20/8 / L03.
  10. ^ Yamada, H, N Uchiyama, Matsumoto A, H et H Kumakura Kitaguchi, Les excellentes propriétés supraconductrices in situ poudre dans tube traitées MgB2 Les deux bandes avec éthyltoluène et poudre de SiC ajouté, en Superconductor Science et technologie, vol. 20, nº 6, 2007, pp. L30, bibcode:2007SuScT..20L..30Y, DOI:10,1088 / 0953-2048 / 20/6 / L02.
  11. ^ A Vajpayee, Awana V, S Balamurugan, Takayamamuromachi E, H et G Kishan Bhalla, Effet du PVA sur le dopage pinning de flux en vrac MgB2, en Physica C: supraconductivité, vol. 466, 2007, pp. 46-50, bibcode:2007PhyC..466 ... 46V, DOI:10.1016 / j.physc.2007.05.046, arXiv:0708.3885.
  12. ^ MgB2 Propriétés Renforcée par dopage avec Atomes carbone, azom.com.
  13. ^ Yong Zhao et al « de supraconducteur à base de MgB2 avec une haute densité de courant critique, et un procédé pour sa fabrication » (FR) United States Patent 6953770, États-Unis des brevets et des marques Office., Date d'émission: 11 octobre 2005
  14. ^ Mais, Y., effets de dopage ZrC et ZrB2 dans la poudre dans tube traité MgB2 bandes, en Science Bulletin chinois, vol. 51, nº 21, 2006, pp. 2669-2672, DOI:10.1007 / s11434-006-2155-4.
  15. ^ à b A. V. Sologubenko, J. juin S. M. Kazakov, J. Karpinski et H. R. Ott, La conductivité thermique de l'entreprise MGB monocristalline2, en Physical Review B, vol. 66, 2002 bibcode:2002PhRvB..66a4504S, DOI:10.1103 / PhysRevB.66.014504, arXiv:cond-mat / 0201517.
  16. ^ Nakai, Noriyuki, Masanori Ichioka et Kazushige MacHida, Dépendance à l'égard du champ de chaleur électronique spécifique dans Supraconducteurs deux bandes, en Journal de la Société Physique du Japon, vol. 71, 2002, p. 23, bibcode:2002JPSJ ... 71 ... 23N, DOI:10,1143 / JPSJ.71.23, arXiv:cond-mat / 0111088.
  17. ^ à b Vinod K, R G et U Syamaprasad Abhilash Kumar, Perspectives pour MGB2 pour l'application de superconducteurs aimant, en Superconductor Science et technologie, vol. 20, 2007, pp. R1-R13, DOI:10,1088 / 0953-2048 / 20/1 / R01.
  18. ^ Le premier système IRM basé sur le nouveau diborure de magnésium supraconductrice (PDF), Columbus Supraconducteurs. Récupéré 22 Septembre, 2008.
  19. ^ Valeria Braccini, Nardelli, David; Penco, Roberto; Grasso Giovanni, Développement de l'ex situ traité MgB2 fils et leurs applications à des aimants, en Physica C: supraconductivité, vol. 456, 1-2, 2007, pp. 209-217, bibcode:2007PhyC..456..209B, DOI:10.1016 / j.physc.2007.01.030.

D'autres projets

liens externes