ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物

ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（BSCCO、発音はビスコ）は、一般化学式Bi ₂ Sr ₂ Ca _{n −1} Cu _n O _{2 n +4+ x}を持つ銅酸化物超伝導体の一種で、n  = 2が最も一般的に研究されている化合物です（n  = 1およびn  = 3も大きな注目を集めています）。1988年に一般クラスとして発見された^{[1] BSCCOは}、希土類元素を含まない最初の高温超伝導体でした。

これは銅酸化物超伝導体であり、二次元層状（ペロブスカイト）構造（右図参照）を共有し、銅酸化物面で超伝導が起こる、高温超伝導体の重要なカテゴリです。BSCCO とYBCO は、最も研究されている銅酸化物超伝導体です。

BSCCO の特定のタイプは、通常、金属イオンの番号の順序を使用して参照されます。したがって、Bi-2201 はn = 1 化合物 ( Bi ₂ Sr ₂ Cu O _{6+ x} )、Bi-2212 はn = 2 化合物 ( Bi ₂ Sr ₂ Ca Cu ₂ O _{8+ x} )、Bi-2223 はn = 3 化合物 ( Bi ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _{10+ x} ) です。

BSCCO ファミリーは、TBCCO と呼ばれる一般式Tl ₂ Ba ₂ Ca _{n −1} Cu _n O _{2 n +4+ x}のタリウム系高温超伝導体、および式Hg Ba ₂ Ca _{n −1} Cu _n O _{2 n +2+ x}の水銀系 HBCCO に類似しています。これらの超伝導ファミリーには、他にもさまざまなバリエーションがあります。一般に、超伝導になる臨界温度は、最初の数種類では上昇し、その後低下します。したがって、Bi-2201 のT _c ≈ 33 K、Bi-2212 のT _c ≈ 96 K、Bi-2223 のT _c ≈ 108 K、Bi-2234 のT _c ≈ 104 K です。この最後のメンバーは合成が非常に困難です。

BSCCO は、実用的な超伝導線の製造に使用された最初の HTS 材料でした。すべての HTS は、コヒーレンス長が極めて短く、約 1.6 nm です。これは、多結晶線内の粒子が極めて良好な接触状態にあること、つまり原子レベルで滑らかであることが必要であることを意味します。さらに、超伝導は実質的に銅 - 酸素平面にのみ存在するため、粒子は結晶学的に整列している必要があります。したがって、BSCCO は、溶融処理または機械的変形によって粒子を整列させることができるため、優れた候補です。二重酸化ビスマス層は、ファンデルワールス力によって弱く結合しているだけです。そのため、グラファイトや雲母と同様に、変形によりこれらの BiO 平面上で滑りが生じ、粒子は整列した板状に変形する傾向があります。さらに、BSCCO にはn = 1、2、および 3 のメンバーがあるため、これらは自然に低角度の粒界に対応する傾向があり、実際に原子レベルで滑らかなままです。そのため、第一世代のHTSワイヤ（1Gと呼ばれる）は、米国のAmerican Superconductor Corporation（AMSC）や日本の住友などの企業によって長年製造されてきましたが、AMSCは現在、BSCCOワイヤを放棄し、YBCOをベースにした2Gワイヤを採用しています。^[要出典]

通常、前駆体粉末は銀管に詰められ、直径が小さくなるように押し出されます。次に、これらは銀管に複数の管として再詰めされ、再び直径が小さくなるように押し出され、さらにサイズが小さくなり、平らなテープに巻かれます。最後のステップで粒子の整列が保証されます。次に、テープは高温で反応して、変圧器、磁石、モーター、発電機のケーブルやコイルを巻くのに適した、高密度で結晶学的に整列した Bi-2223 多芯導電性テープになります。^{[2] [3]}幅 4 mm、厚さ 0.2 mm の一般的なテープは、77 K で 200 A の電流をサポートし、Bi-2223 フィラメントの臨界電流密度は5 kA/mm ^{2になります。これは温度の低下とともに著しく上昇するため、多くのアプリケーションは}T _cが 108 K で あっても 30～35 K で実装されます。

電力伝送：

• Bi-2223 多芯テープから作られた 1G 導体。例:
  • ホルブルック超伝導プロジェクト

電磁石とその電流リード:

• CERNでのBSCCOテープのテスト^[4]

BSCCO は、1988 年頃に日本の金属材料研究所の前田宏ら^{[1]によって新しいクラスの超伝導体として発見されましたが、当時はその正確な組成と構造を判定することはできませんでした。ほぼすぐに、デュポン社の}Subramanian ^[5] らやAT&T ベル研究所のCava ^[6]らなど、いくつかのグループがBi -2212 を特定しました。n = 3 のメンバーは非常に見つけにくく、ニュージーランドの政府研究機関の Tallon ^[7]らによって約 1 か月後にようやく特定されました。それ以来、これらの材料にはわずかな改良しか行われていません。初期の重要な開発は、Bi の約 15% を Pb に置き換えたことで、これにより Bi-2223 の生成と品質が大幅に向上しました。

BSCCO は、超伝導を起こすために過剰な酸素原子 (式のx ) でホールドープされる必要がある。すべての高温超伝導体 (HTS) と同様に、 T _{c は}正確なドーピングレベルに敏感である。Bi-2212 の最大T _{c は}(ほとんどの HTS と同様に) Cu 原子あたり約 0.16 個のホール過剰で達成される。^{[8] [9]}これは最適ドーピングと呼ばれる。ドーピングが低い (したがってT _cが低い) サンプルは一般にアンダードープと呼ばれ、ドーピングが過剰な (これもT _cが低い) サンプルはオーバードープと呼ばれる。酸素含有量を変えることで、T _{c を}自由に変更できる。多くの基準で^{[明確化が必要] 、オーバードープされた HTS は、} T _{c が}最適値より低くても強力な超伝導体であるが、アンダードープされた HTS は非常に弱くなる。^{[引用が必要]}

外部圧力を加えると、通常、ドーピング不足のサンプルのT _{c は}、周囲圧力での最大値を大きく超える値まで上昇します。これは完全には理解されていませんが、二次的な効果として、圧力によってドーピングが増加することがあります。Bi-2223 は、3 つの異なる銅酸素面を持つという点で複雑です。外側の 2 つの銅酸素層は通常、最適なドーピングに近いですが、残りの内側の層は著しくドーピング不足です。したがって、Bi-2223 に圧力を加えると、 2 つの外側の面が最適化されるため、 T _{c が}最大で約 123 K まで上昇します。その後、長時間にわたって低下した後、内側の面が最適化されるため、 T _{c は}再び 140 K に向かって上昇します。したがって、重要な課題は、すべての銅酸素層を同時に最適化する方法を決定することです。

BSCCOはタイプII超伝導体です。4.2 KでのBi-2212多結晶サンプルの上部臨界磁場 H _{c2は、200 ± 25 Tと測定されています（YBCO多結晶サンプルの場合は168 ± 26 Tを参照）。} ^[10]実際には、HTSは不可逆磁場 H *によって制限され、これを超えると磁気渦が溶解または分離します。BSCCOの上部臨界磁場はYBCOよりも高いですが、H *ははるかに低く（通常は100倍小さい）^[11]、高磁場磁石の製造への使用が制限されます。このため、YBCOの導体はBSCCOよりも好まれますが、製造がはるかに困難です。

• イットリウムバリウム銅酸化物
• タリウムバリウムカルシウム銅酸化物

• 「BSCCO-2223 テープ、米国研究所にて」。magnet.fsu.edu 。2013年 4 月 12 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• 1993 年に MgO 上で 2212 を研究的に製造 2018 年 1 月 10 日にWayback Machineにアーカイブ(pdf)
• 酸素ドーパント近傍の Bi2Sr2CaCu2O8 の局所電子構造...
• Kaminski, A.; Rosenkranz, S.; Fretwell, HM; Norman, MR; Randeria, M.; Campuzano, JC; Park, JM.; Li, ZZ; Raffy, H. (2006). 「ドーピングによるBi2Sr2CaCu2O8+δのフェルミ面トポロジーの変化」. Physical Review B. 73 ( 17): 174511. arXiv : cond-mat/0507106 . Bibcode :2006PhRvB..73q4511K. doi :10.1103/PhysRevB.73.174511. S2CID  116213053.