Superconductor de tipo II

En la superconductividad , un superconductor de tipo II es aquel que presenta una fase intermedia con propiedades mixtas de superconductividad y ordinarias a temperaturas y campos magnéticos superiores a las de la fase superconductora. También se caracteriza por la formación de vórtices magnéticos al aplicar un campo magnético externo . Esto ocurre por encima de una intensidad de campo crítica _Hc1 . La densidad de vórtices aumenta con la intensidad del campo. A un campo crítico Hc2 más elevado , típicamente del orden de decenas de teslas ^{[ 2 ],} _la superconductividad se destruye. Los superconductores de tipo II no presentan un efecto Meissner completo ^{[ 3 ]} .

La existencia de dos campos críticos en aleaciones superconductoras fue observada experimentalmente por Wander Johannes De Haas y J. Voogd entre 1929 y 1931, y confirmada por múltiples autores que trabajaron con diferentes materiales durante los años siguientes. Sin embargo, las inhomogeneidades de las muestras en estos primeros estudios estaban mal controladas, y se asumió que el efecto podría explicarse por inhomogeneidades estructurales que conducirían a la formación de una delgada red superconductora filamentosa. En 1936, Lev Shubnikov , Vladimir Khotkevich, Georgy Shepelev y Yuri Rjabinin produjeron muestras monocristalinas de alta calidad y concluyeron que el efecto era un fenómeno volumétrico, descartando la inhomogeneidad estructural como causa. Al año siguiente, Shubnikov fue ejecutado durante las purgas de Stalin y sus resultados permanecieron prácticamente desconocidos durante los siguientes 25 años. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

En 1950, Lev Landau y Vitaly Ginzburg desarrollaron la teoría de los dos tipos de superconductores en su artículo sobre la teoría de Ginzburg-Landau . ^{[ 6 ]} En su argumento, un superconductor de tipo I tenía una energía libre positiva en el límite superconductor-metal normal. Ginzburg y Landau señalaron la posibilidad de superconductores de tipo II que deberían formar un estado inhomogéneo en campos magnéticos fuertes. Sin embargo, en ese momento, todos los superconductores conocidos eran de tipo I, y comentaron que no había motivación experimental para considerar la estructura precisa del estado superconductor de tipo II. La teoría del comportamiento del estado superconductor de tipo II en un campo magnético fue mejorada en gran medida por Alexei Alexeyevich Abrikosov , ^{[ 7 ]} quien estaba elaborando las ideas de Lars Onsager y Richard Feynman sobre vórtices cuánticos en superfluidos . Abrikosov comparó su teoría de red de vórtices con los experimentos de Shubnikov de 1936 y encontró un buen ajuste. ^{[ 8 ]} La solución de vórtice cuántico en un superconductor también está muy relacionada con el trabajo de Fritz London sobre la cuantización del flujo magnético en superconductores. El Premio Nobel de Física fue otorgado por la teoría de la superconductividad de tipo II en 2003. ^{[ 9 ]}

La teoría de Ginzburg-Landau introdujo la longitud de coherencia superconductora ξ además de la profundidad de penetración del campo magnético de London λ . Según la teoría de Ginzburg-Landau, en un superconductor de tipo II${\displaystyle \lambda /\xi >1/{\sqrt {2}}}$Ginzburg y Landau demostraron que esto conduce a una energía negativa en la interfaz entre las fases superconductora y normal. La existencia de esta energía negativa en la interfaz ya se conocía desde mediados de la década de 1930 gracias a los primeros trabajos de los hermanos London. Una energía negativa en la interfaz sugiere que el sistema debería ser inestable frente a la maximización del número de dichas interfaces. Esta inestabilidad no se observó hasta los experimentos de Shubnikov en 1936, donde se hallaron dos campos críticos.

En 1952, Zavaritskii también informó sobre una observación de superconductividad de tipo II. Fritz London demostró ^{[ 10 ] [ 11 ]} que un flujo magnético puede penetrar un superconductor a través de un defecto topológico que tiene un enrollamiento de fase entera y transporta un flujo magnético cuantizado. Onsager y Feynman demostraron que deberían formarse vórtices cuánticos en los superfluidos. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Un artículo de 1957 de AA Abrikosov ^{[ 7 ]} generaliza estas ideas. En el límite de longitud de coherencia muy corta, la solución de vórtice es idéntica al fluxoide de London, ^{[ 11 ]} donde el núcleo del vórtice se aproxima mediante un corte abrupto en lugar de una desaparición gradual del condensado superconductor cerca del centro del vórtice. Abrikosov descubrió que los vórtices se organizan en una disposición regular conocida como red de vórtices . ^{[ 9 ]} Cerca de un campo magnético crítico superior, el problema de un superconductor en un campo externo es equivalente al problema del estado de vórtice en un superfluido en rotación, discutido por Lars Onsager y Richard Feynman .

Los superconductores de tipo II suelen estar hechos de aleaciones metálicas o cerámicas de óxido complejo . Todos los superconductores de alta temperatura son de tipo II. Si bien la mayoría de los superconductores elementales son de tipo I, el niobio , el vanadio y el tecnecio son superconductores elementales de tipo II. El diamante dopado con boro y el silicio también son superconductores de tipo II. Los superconductores de aleación metálica también pueden exhibir un comportamiento de tipo II (por ejemplo, el niobio-titanio , uno de los superconductores más comunes en la superconductividad aplicada), así como los compuestos intermetálicos como el niobio-estaño .

Otros ejemplos de tipo II son los materiales cerámicos de cuprato - perovskita que han alcanzado las temperaturas críticas de superconductividad más altas. Estos incluyen La _1.85 Ba _0.15 CuO ₄ , BSCCO , y YBCO ( óxido de itrio - bario - cobre ), famoso por ser el primer material en alcanzar la superconductividad por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido (77 K). Debido al fuerte anclaje de vórtices , los cupratos se aproximan a los superconductores duros ideales .

Los electroimanes superconductores potentes (utilizados en escáneres de resonancia magnética , máquinas _de RMN y aceleradores de partículas ) suelen emplear bobinas enrolladas con alambres de niobio-titanio o, para campos magnéticos más intensos, con alambres de niobio-estaño . Estos materiales son superconductores de tipo II con un campo crítico superior Hc2 sustancial y, a diferencia de, por ejemplo, los superconductores de cuprato con un Hc2 aún _mayor , se pueden mecanizar fácilmente para formar alambres. Sin embargo, recientemente, las cintas superconductoras de segunda generación están permitiendo sustituir los alambres de niobio, más económicos, por cintas de "segunda generación" mucho más caras, pero superconductoras a temperaturas y campos magnéticos mucho más elevados.