Supercondutores cuprato são uma família de materiais supercondutores de alta temperatura feitos de camadas de óxido de cobre () alternadas com camadas de outros óxidos metálicos, que atuam como reservatórios de carga. À pressão ambiente, os supercondutores cuprato são os supercondutores de maior temperatura conhecidos. thumb|Diagrama de fases de supercondutores cuprato: Eles podem ser basicamente divididos em cupratos dopados com elétrons () e com buracos (), como para os modelos básicos que descrevem semicondutores. Os supercondutores cuprato padrão, YBCO e BSCCO, são notavelmente dopados com buracos. Os cupratos têm uma estrutura próxima à de um material bidimensional. Suas propriedades supercondutoras são determinadas por elétrons se movendo dentro de camadas fracamente acopladas de óxido de cobre (). Camadas vizinhas contêm íons como lantânio, bário, estrôncio ou outros átomos que atuam para estabilizar as estruturas e dopar elétrons ou buracos nas camadas de óxido de cobre. Os compostos "pais" ou "mãe" não dopados são isolantes de Mott com ordem antiferromagnética de longo alcance em temperaturas suficientemente baixas. Modelos de banda única são geralmente considerados suficientes para descrever as propriedades eletrônicas.

Os supercondutores cuprato adotam uma estrutura perovskita. Os planos de óxido de cobre são redes do tipo tabuleiro de xadrez com quadrados de íons O2− e um íon Cu2+ no centro de cada quadrado. A célula unitária é girada em 45° em relação a esses quadrados. As fórmulas químicas dos materiais supercondutores contêm números fracionários para descrever a dopagem necessária para a supercondutividade.

Várias famílias de supercondutores cuprato foram identificadas. Podem ser categorizadas por seus elementos e pelo número de camadas adjacentes de óxido de cobre em cada bloco supercondutor. Por exemplo, YBCO e BSCCO podem ser referidos como Y123 e Bi2201/Bi2212/Bi2223 dependendo do número de camadas em cada bloco supercondutor (). A temperatura de transição supercondutora atinge um pico em um valor de dopagem ótimo (=0,16) e um número ótimo de camadas em cada bloco, tipicamente três.

Os possíveis mecanismos para a supercondutividade cuprato continuam sendo objeto de considerável debate e pesquisa. Semelhanças entre o estado de baixa temperatura dos materiais não dopados e o estado supercondutor que emerge após a dopagem, principalmente o estado orbital x2−y2 dos íons Cu2+, sugerem que as interações elétron-elétron são mais significativas do que as interações elétron-fônon nos cupratostornando a supercondutividade não convencional. Trabalhos recentes sobre a superfície de Fermi mostraram que o aninhamento ocorre em quatro pontos da zona de Brillouin antiferromagnética onde existem ondas de spin e que o gap de energia supercondutor é maior nesses pontos. Os fracos efeitos isotópicos observados para a maioria dos cupratos contrastam com os supercondutores convencionais que são bem descritos pela teoria BCS.

Tipos

Cuprato de ítrio–bário thumb|Célula unitária para o cuprato de bário e ítrio (YBCO) Um cuprato de ítrio–bário, YBa2Cu3O7−x (ou Y123), foi o primeiro supercondutor encontrado acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido. Os três metais diferentes no supercondutor YBa2Cu3O7 estão na proporção molar de 1 para 2 para 3 para ítrio, bário e cobre, respectivamente; portanto, este supercondutor particular tem sido frequentemente referido como o supercondutor 123.

A célula unitária do YBa2Cu3O7 consiste em três células unitárias de perovskita, que é pseudocúbica, quase ortorrômbica. Os outros cupratos supercondutores têm outra estrutura: eles têm uma célula tetragonal. Cada célula de perovskita contém um átomo de Y ou Ba no centro: Ba na célula unitária inferior, Y na do meio e Ba na célula unitária superior. Assim, Y e Ba são empilhados na sequência [Ba–Y–Ba] ao longo do eixo c. Todos os sítios de canto da célula unitária são ocupados por Cu, que tem duas coordenações diferentes, Cu(1) e Cu(2), em relação ao oxigênio. Existem quatro sítios cristalográficos possíveis para o oxigênio: O(1), O(2), O(3) e O(4). Os poliedros de coordenação de Y e Ba em relação ao oxigênio são diferentes. O triplicamento da célula unitária de perovskita leva a nove átomos de oxigênio, enquanto o YBa2Cu3O7 tem sete átomos de oxigênio e, portanto, é referido como uma estrutura perovskita deficiente em oxigênio. A estrutura tem um empilhamento de diferentes camadas: (CuO)(BaO)()(Y)()(BaO)(CuO). Uma das principais características da célula unitária do YBa2Cu3O7−x (YBCO) é a presença de duas camadas de . O papel do plano Y é servir como um espaçador entre dois planos . No YBCO, as cadeias Cu–O são conhecidas por desempenhar um papel importante para a supercondutividade. c é máxima perto de quando x ≈ 0,15 e a estrutura é ortorrômbica. A supercondutividade desaparece em x ≈ 0,6, onde ocorre a transformação estrutural do YBCO de ortorrômbica para tetragonal.

Outros cupratos thumb|Rede cristalina do cuprato de bismuto e estrôncio (BSCCO) A preparação de outros cupratos é mais difícil do que a preparação do YBCO. Eles também têm uma estrutura cristalina diferente: são tetragonais enquanto o YBCO é ortorrômbico. Problemas nesses supercondutores surgem devido à existência de três ou mais fases com estrutura em camadas semelhante. Além disso, a estrutura cristalina de outros supercondutores cuprato testados é muito semelhante. Como o YBCO, a característica do tipo perovskita e a presença de camadas simples de óxido de cobre () também existem nesses supercondutores. No entanto, diferentemente do YBCO, as cadeias Cu–O não estão presentes nesses supercondutores. O supercondutor YBCO tem uma estrutura ortorrômbica, enquanto os outros supercondutores de alto-c têm uma estrutura tetragonal.

Existem três classes principais de cupratos supercondutores: à base de bismuto, à base de tálio e à base de mercúrio.

O segundo cuprato em importância prática é atualmente o BSCCO, um composto de Bi–Sr–Ca–Cu–O. O conteúdo de bismuto e estrôncio cria algumas questões químicas. Ele tem três fases supercondutoras formando uma série homóloga como Bi2Sr2Can−1CunO4+2n+x (n=1, 2 e 3). Essas três fases são Bi-2201, Bi-2212 e Bi-2223, tendo temperaturas de transição de , e , respectivamente, onde o sistema de numeração representa o número de átomos para Bi, Sr, Ca e Cu, respectivamente. As duas fases têm uma estrutura tetragonal que consiste em duas células cristalográficas unitárias cisalhadas. A célula unitária dessas fases tem camadas duplas Bi–O que são empilhadas de modo que o átomo de Bi de um plano fique abaixo do átomo de oxigênio do próximo plano consecutivo. O átomo de Ca forma uma camada no interior das camadas de tanto no Bi-2212 quanto no Bi-2223; não há camada de Ca na fase Bi-2201. As três fases diferem entre si no número de planos cuprato; as fases Bi-2201, Bi-2212 e Bi-2223 têm uma, duas e três camadas de , respectivamente. As constantes de rede do eixo c dessas fases aumentam com o número de planos cuprato (veja a tabela abaixo). A coordenação do átomo de Cu é diferente nas três fases. O átomo de Cu forma uma coordenação octaédrica em relação aos átomos de oxigênio na fase 2201, enquanto no 2212, o átomo de Cu é cercado por cinco átomos de oxigênio em um arranjo piramidal. Na estrutura 2223, o Cu tem duas coordenações em relação ao oxigênio: um átomo de Cu está ligado a quatro átomos de oxigênio em configuração planar quadrada e outro átomo de Cu está coordenado com cinco átomos de oxigênio em um arranjo piramidal.

Cuprato de Tl–Ba–Ca A primeira série do supercondutor à base de Tl contendo uma camada Tl–O tem a fórmula geral TlBa2Can−1CunO2n+3, enquanto a segunda série contendo duas camadas Tl–O tem a fórmula Tl2Ba2Can−1CunO2n+4 com n =1, 2 e 3. Na estrutura do Tl2Ba2CuO6 (Tl-2201), há uma camada com a sequência de empilhamento (Tl–O) (Tl–O) (Ba–O) (Cu–O) (Ba–O) (Tl–O) (Tl–O). No Tl2Ba2CaCu2O8 (Tl-2212), há duas camadas Cu–O com uma camada de Ca entre elas. Semelhante à estrutura do Tl2Ba2CuO6, as camadas Tl–O estão presentes fora das camadas Ba–O. No Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (Tl-2223), há três camadas CuO2 envolvendo camadas de Ca entre cada uma delas. Nos supercondutores à base de Tl, verifica-se que c aumenta com o aumento das camadas de . No entanto, o valor de c diminui após quatro camadas de no TlBa2Can−1CunO2n+3, e no composto Tl2Ba2Can−1CunO2n+4, diminui após três camadas de . Cuprato de Hg–Ba–Ca A estrutura cristalina do HgBa2CuO4 (Hg-1201), HgBa2CaCu2O6 (Hg-1212) e HgBa2Ca2Cu3O8 (Hg-1223) é semelhante à do Tl-1201, Tl-1212 e Tl-1223, com Hg no lugar de Tl. É notável que o c do composto de Hg (Hg-1201) contendo uma camada é muito maior em comparação com o composto de uma camada de tálio (Tl-1201). No supercondutor à base de Hg, também se verifica que c aumenta à medida que a camada de aumenta. Para Hg-1201, Hg-1212 e Hg-1223, os valores de c são 94, 128 e o valor recorde à pressão ambiente de , respectivamente, como mostrado na tabela abaixo. A observação de que o c do Hg-1223 aumenta para sob alta pressão indica que o c deste composto é muito sensível à estrutura do composto.

+ Temperatura supercondutora, estrutura cristalina e constantes de rede de alguns supercondutores cupratoNomeFórmulaTemperatura (K)Número de planos de CuO na célula unitáriaEstrutura cristalinaY-123YBa2Cu3O7922OrtorrômbicaBi-2201Bi2Sr2CuO6201TetragonalBi-2212Bi2Sr2CaCu2O8852TetragonalBi-2223Bi2Sr2Ca2Cu3O101103TetragonalTl-2201Tl2Ba2CuO6801TetragonalTl-2212Tl2Ba2CaCu2O81082TetragonalTl-2223Tl2Ba2Ca2Cu3O101253TetragonalTl-1234TlBa2Ca3Cu4O111224TetragonalHg-1201HgBa2CuO4941TetragonalHg-1212HgBa2CaCu2O61282TetragonalHg-1223HgBa2Ca2Cu3O81343Tetragonal

Preparação e fabricação O método mais simples para preparar supercondutores cerâmicos é uma reação termoquímica em estado sólido envolvendo mistura, calcinação e sinterização. As quantidades apropriadas de pós precursores, geralmente óxidos e carbonatos, são misturadas completamente usando um moinho de bolas. Processos de química em solução, como coprecipitação, liofilização e métodos sol-gel, são maneiras alternativas para preparar uma mistura homogênea. Esses pós são calcinados na faixa de temperatura de por várias horas. Os pós são resfriados, moídos novamente e calcinados novamente. Este processo é repetido várias vezes para obter material homogêneo. Os pós são subsequentemente compactados em pastilhas e sinterizados. O ambiente de sinterização, como temperatura, tempo de recozimento, atmosfera e taxa de resfriamento, desempenha um papel muito importante na obtenção de bons materiais supercondutores de alto-c. O composto YBa2Cu3O7−x é preparado por calcinação e sinterização de uma mistura homogênea de Y2O3, BaCO3 e CuO na proporção atômica apropriada. A calcinação é feita a , enquanto a sinterização é feita a em atmosfera de oxigênio. A estequiometria de oxigênio neste material é crucial para obter um composto YBa2Cu3O7−x supercondutor. No momento da sinterização, o composto tetragonal semicondutor YBa2Cu3O6 é formado, que, com resfriamento lento em atmosfera de oxigênio, se transforma no YBa2Cu3O7−x supercondutor. A absorção e perda de oxigênio são reversíveis no YBa2Cu3O7−x. Uma amostra ortorrômbica totalmente oxigenada de YBa2Cu3O7−x pode ser transformada em YBa2Cu3O6 tetragonal por aquecimento em vácuo a temperatura acima de .