I ricercatori della Florida State University hanno scoperto un nuovo modo per migliorare le prestazioni dei cavi elettrici utilizzati come superconduttori ad alta temperatura (HTS), scoperte che hanno il potenziale per alimentare una nuova generazione di acceleratori di particelle.

Un'immagine di Bi-2212, fili superconduttori a base di bismuto. (Mark Wallheiser/FAMU-FSU College of Engineering) I ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica a scansione ad alta risoluzione per capire come i metodi di lavorazione influenzano i grani nei fili superconduttori a base di bismuto (noti come Bi-2212). Quei grani formano le strutture sottostanti dei superconduttori ad alta temperatura, e gli scienziati che osservano i grani Bi-2212 su scala atomica hanno ottimizzato con successo il loro allineamento in un processo che rende il materiale più efficiente nel trasportare una corrente superconduttiva, o supercorrente. Il loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Scienza e tecnologia dei superconduttori.

I ricercatori hanno scoperto che i singoli grani hanno una forma rettangolare allungata, con il loro lato più lungo rivolto lungo lo stesso asse del filo, una cosiddetta trama biassiale. Sono disposti in modo circolare seguendo il percorso del filo, in modo che l'orientamento sia apparente solo su scala molto piccola. Queste due proprietà insieme conferiscono ai grani Bi-2212 una trama quasi biassiale, che si è rivelata una configurazione ideale per il flusso di supercorrente.

"Capendo come ottimizzare la struttura di questi grani, possiamo fabbricare i fili tondi HTS che trasportano correnti più elevate nel modo più efficiente, " disse Abiola Temidayo Oloye, un dottorando presso il FAMU-FSU College of Engineering, ricercatore presso il National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) e autore principale dell'articolo.

Superconduttori, a differenza dei conduttori convenzionali come il rame, può trasportare elettricità con perfetta efficienza perché gli elettroni non incontrano attrito mentre viaggiano nel filo superconduttore. I fili Bi-2212 appartengono a una nuova generazione di superconduttori ad alto campo per la costruzione di magneti superconduttori, che sono strumenti cruciali per la ricerca scientifica nei laboratori di tutto il mondo, compreso il National High Magnetic Field Laboratory dove il team di ricercatori ha condotto i propri esperimenti.

I superconduttori ad alta temperatura come il Bi-2212 possono condurre corrente a campi magnetici molto più elevati rispetto ai superconduttori a bassa temperatura (LTS) e sono una parte fondamentale dei progetti per acceleratori di particelle ancora più potenti presso il Large Hadron Collider presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN).

"Abbiamo ottimizzato i cavi tondi Bi-2212 per trasportare più corrente, tenendo presente la differenza di scala tra il laboratorio e il produttore, " Ha detto Oloye. "Il processo che sviluppiamo in laboratorio deve scalare al livello di produzione affinché la tecnologia sia commercialmente valida e siamo stati in grado di farlo nello studio".

Lavoro precedente svolto da Fumitake Kametani, professore associato di ingegneria meccanica presso il FAMU-FSU College of Engineering, ricercatore MagLab, e ricercatore principale dello studio, ha mostrato l'importanza della trama quasi-biassiale nei fili tondi Bi-2212 per le correnti. Questo documento ha continuato la premessa e ha dimostrato i fattori necessari per ottenere una trama quasi biassiale ottimale.

"La caratterizzazione microstrutturale utilizzata è unica nell'analisi della struttura cristallina dei fili tondi Bi-2212, " ha detto Kametani. "La tecnica viene solitamente utilizzata per analizzare metalli e leghe, e lo abbiamo adattato per sviluppare nuovi metodi di preparazione del campione per favorire l'ottimizzazione delle tecnologie dei fili Bi-2212 HTS".

L'obiettivo generale è essere in grado di utilizzare i fili tondi Bi-2212 in future applicazioni magnetiche ad alto campo.

"Dal momento che è l'unico superconduttore ad alta temperatura disponibile in forma di filo tondo, il materiale può sostituire più facilmente le tecnologie esistenti utilizzando fili LTS realizzati con altri materiali, " Ha detto Oloye. "Altri HTS come REBCO e Bi-2223 sono disponibili solo in forma di nastro, che aggiunge uno strato di complessità al design del magnete."