Studio sperimentale e teorico di superconduttori cuprati d'interesse applicativo

Abstract

L'attività di ricerca svolta durante questo Dottorato ha riguardato lo studio sperimentale e teorico di lm superconduttori d'interesse applicativo. Tale attivit a e stata svolta nell'ambito di un contratto di ricerca attivo tra l'Università Roma Tre e l'ENEA di Frascati. Nei prossimi anni ci si attende un'ampia di fusione di tecnologie basate su superconduttori cuprati ad alta temperatura critica (SATT): basti menzionare il coinvolgimento dei nastri, detti coated conductors (CC), a base di YBa2Cu3O7􀀀 (YBCO) nei programmi europei per realizzare gli avvolgimenti dei magneti della macchina da fusione DEMO. L'obiettivo di questa tesi e quello di studiare i fattori che determinano la dissipazione in campo magnetico nei superconduttori cuprati supportando l'identficazione delle tecniche di crescita dei materiali che conducono a minimizzare la dissipazione stessa; tali fattori sono direttamente connessi al moto delle linee di flusso del campo magnetico quantizzato (dette flussoni o vortici ). E'quindi necessario ancorare le linee di flusso per impedirne il moto. La natura dell'ancoraggio (o pinning) può essere sottoposta a valutazione in diversi regimi. Nell'ambito di questa tesi, i superconduttori sono stati studiati ad alte frequenze, nell'intervallo delle microonde, regime in cui le oscillazioni a corto raggio sondano la parte bassa delle buche del potenziale di pinning, ovvero la ripidità invece che la profondità (studiata tipicamente con sonde in continua). L'indagine a microonde fornisce quindi indicazioni complementari rispetto alle analisi convenzionali in corrente continua. In particolare, questa tesi si e focalizzata sulla misura e studio della risposta elettrodinamica a microonde di lm sottili superconduttori di YBCO con nanoinclusioni di BaZrO3 (BZO) a diverse percentuali in lm depositati per ablazione laser (PLD) e per deposizione metallo-organica da trifluoroacetato (TAF-MOD) con brevi tempi del processo di pirolisi. Recenti risultati hanno dimostrato come l'immissione di nanoinclusioni di BZO nei lm superconduttori, con semplici tecniche applicabili alla realizzazione di questi materiali su larga scala, porti ad un sensibile aumento del pinning; infatti, le particelle di BZO si 2 autoassemblano come difetti lineari estesi (nanorod) lungo l'asse-c e agiscono come centri di pinning correlato lungo questa direzione. Tuttavia manca ancora una comprensione dettagliata dello speci co fenomeno di pinning, necessaria per indirizzare la tecnologia di crescita dei materiali. Le misure di impedenza super ciale qui e ettuate si propongono di fornire indicazion iutili in questo senso. Per effettuare le misure di impedenza super ciale e stato utilizzato un apparato sperimentale che utilizza un risonatore caricato a dielettrico (za ro) operante sul modo TE011 alla frequenza di 47.7GHz. Il corpo principale dei dati e stato raccolto in funzione del campo magnetico applicato. Le misure di dissipazione in campo magnetico sono state eseguite applicando, a temperatura costante, un campo magnetico statico inclinato di un certo angolo rispetto all'asse-c d'intensit a crescente no a 0.8T (rampa in campo), oppure fissando il valore dell'intensità di campo e variando l'angolo (rotazione angolare). I risultati delle misure in campo perpendicolare (ovvero a = 0 ) hanno mostrato come l'YBCO/PLD ad alto contenuto di BZO presenti una riduzione della resistenza superficiale di un fattore 3, in funzione del campo magnetico applicato, rispetto all'YBCO puro. Tale riduzione si estende no a temperature prossime a Tc, indicando come l'efficacia dei centri di pinning sia cresciuta per e etto dell'introduzione delle inclusioni di BZO. I cambiamenti indotti dal campo sulla reattanza Xs mostrano nell'YBCO/PLD/BZO una riduzione meno drammatica rispetto ai cambiamenti sulla resistenza a basse temperature, ma con una forte persistenza vicino a Tc, indicando come il pinning associato al BZO rimanga forte a pi u alte temperature. Da queste grandezze misurate, interpretate secondo un modello generalizzato, e stato possibile determinare i cosiddetti parametri di vortice, quali il coefficiente di forza viscosa e la costante di pinning kp. Al crescere del contenuto di BZO, i risultati sulla viscosit a di vortice, con il campo magnetico allineato all'asse-c, hanno mostrato aspetti nuovi rispetto ai modelli convenzionali di letteratura. I risultati sulla costante di pinning hanno datoimportanti informazioni sulla natura dei siti di pinning. La diversa dipendenza in campo osservata su kp definisce la separazione tra due differenti regimi di pinning: in presenza di difetti diluiti o poco e caci, come nel campione puro, le linee di flusso vengono ancorate su una matrice di difetti puntiformi, che ancora molti vortici per difetto (regime di pinning collettivo). Ad alta concentrazione di difetti o in presenza di pinning correlato, i vortici vengono ancorati individualmente o in piccoli aggregati (bundle) sui difetti di BZO (regime di pinning singolo). I risultati sono coerenti con quanto trovato sperimentalmente dallo studio in angolo della resistivit a di ux- ow ff (contributo di scorrimento libero) e della resistivit a di Campbell C (contributo di richiamo elastico) nel lm di YBCO/BZO/PLD al 5 mol %: le colonne di BZO risultano e caci centri di pinning anche quando il campo magnetico e applicato ad un angolo diverso da zero rispetto alla direzione dei nanorod. I risultati dimostrano che la resistivit a di ux- ow ff e una propriet a intrinseca dettata solo dall'anisotropia elettronica di massa dell'YBCO, mentre la resistivit a di Campbell C risente della natura direzionale del pinning dovuto ai nanorod di BZO in quasi tutto 3 l'intervallo angolare. Le prestazioni dei campioni YBCO/MOD, alle concentrazioni di BZO nora studiate, rimangono invece simili a quelle di un lm puro, inferiori a quanto nora discusso per i campioni YBCO cresciuti tramite PLD a pi u alto contenuto di BZO, probabilmente perch e le inclusioni non si sono strutturate in difetti colonnari. Questo risultato evidenzia come l'e cacia del BZO non dipenda solo dalla concentrazione nominale nel target di deposizione (che e massima nel YBCO/BZO/MOD 10 mol.%), ma principalmente dalle propriet a di pinning dei diversi tipi di difetti nucleati durante la crescita in nanorod (colonnari) o nanoparticelle. Si ritiene che i risultati ottenuti siano rilevanti ai ni dell'ingegnerizzazione di nastri superconduttori, potendo fornire importanti suggerimenti per ottimizzare la crescita di difetti e caci di BZO, soprattutto per la tecnica di deposizione MOD, considerati i vantaggi che la rendono molto attraente per possibili sviluppi nel processo di produzione dei nastri superconduttori su larga scala.