Campo crítico

Para una temperatura dada, el campo crítico se refiere a la intensidad máxima del campo magnético por debajo de la cual un material permanece superconductor. La superconductividad se caracteriza tanto por la conductividad perfecta (resistencia cero) como por la expulsión completa de campos magnéticos ( efecto Meissner ). Los cambios en la temperatura o en la densidad de flujo magnético pueden causar la transición de fase entre los estados normal y superconductor. ^{[ 1 ]} La temperatura más alta por debajo de la cual se observa el estado superconductor se conoce como temperatura crítica. A esa temperatura, incluso el campo magnético externo más débil destruirá el estado superconductor, por lo que la intensidad del campo crítico es cero. A medida que disminuye la temperatura, el campo crítico aumenta generalmente hasta un máximo en el cero absoluto.

Para un superconductor de tipo I, la discontinuidad en la capacidad calorífica que se observa en la transición superconductora generalmente está relacionada con la pendiente del campo crítico (${\displaystyle H_{\text{c}}}$) a la temperatura crítica (${\displaystyle T_{\text{c}}}$): ^{[ 2 ]}

${\displaystyle C_{\text{super}}-C_{\text{normal}}={T \over 4\pi }\left({\frac {dH_{\text{c}}}{dT}}\right)_{T=T_{\text{c}}}^{2}}$

También existe una relación directa entre el campo crítico y la corriente crítica : la densidad de corriente eléctrica máxima que un material superconductor dado puede transportar antes de pasar al estado normal. ^{[ 1 ]} Según la ley de Ampère, cualquier corriente eléctrica induce un campo magnético, pero los superconductores excluyen dicho campo. A escala microscópica, el campo magnético no es exactamente cero en los bordes de cualquier muestra dada; se aplica una profundidad de penetración . Para un superconductor de tipo I, la corriente debe permanecer cero dentro del material superconductor (para ser compatible con un campo magnético nulo), pero puede alcanzar valores distintos de cero en los bordes del material en esta escala de longitud de profundidad de penetración, a medida que aumenta el campo magnético. ^{[ 2 ]} Mientras el campo magnético inducido en los bordes sea menor que el campo crítico, el material permanece superconductor, pero a corrientes más altas, el campo se vuelve demasiado fuerte y se pierde el estado superconductor. Este límite en la densidad de corriente tiene importantes implicaciones prácticas en las aplicaciones de los materiales superconductores: a pesar de tener resistencia cero, no pueden transportar cantidades ilimitadas de energía eléctrica.

La geometría de la muestra superconductora complica la medición práctica del campo crítico ^{[ 2 ]} : el campo crítico se define para una muestra cilíndrica con el campo paralelo al eje de simetría radial. Con otras formas (esféricas, por ejemplo), puede existir un estado mixto con penetración parcial de la superficie exterior por el campo magnético (y, por lo tanto, un estado normal parcial), mientras que el interior de la muestra permanece superconductor.

Los superconductores de tipo II permiten un tipo diferente de estado mixto, donde el campo magnético (por encima del campo crítico inferior)${\displaystyle H_{c1}}$Se permite que el campo magnético penetre a través de "agujeros" cilíndricos en el material, cada uno de los cuales transporta un cuanto de flujo magnético . A lo largo de estos cilindros de flujo, el material se encuentra esencialmente en un estado normal, no superconductor, rodeado por un superconductor donde el campo magnético vuelve a cero. El ancho de cada cilindro es del orden de la profundidad de penetración del material. A medida que aumenta el campo magnético, los cilindros de flujo se acercan entre sí y, finalmente, en el campo crítico superior...${\displaystyle H_{\text{c2}}}$, no dejan espacio para el estado superconductor y se pierde la propiedad de resistividad cero.

El campo crítico superior es la densidad de flujo magnético (generalmente expresada con la unidad tesla (T)) que suprime completamente la superconductividad en un superconductor de tipo II a 0  K ( cero absoluto ).

Más precisamente, el campo crítico superior es una función de la temperatura (y la presión) y, si no se especifican, se sobreentiende que se trata del cero absoluto y la presión estándar.

La teoría de Werthamer-Helfand-Hohenberg predice el campo crítico superior ( H _c2 ) a 0  K a partir de T _c y la pendiente de H _c2 en T _c .

El campo crítico superior (a 0  K) también se puede estimar a partir de la longitud de coherencia ( ξ ) utilizando la expresión de Ginzburg-Landau : H _c2 = Φ ₀ / (2πξ ² ) ^{[ 3 ]} donde Φ ₀ es el cuanto de flujo magnético .

El campo crítico inferior es la densidad de flujo magnético a la cual el flujo magnético comienza a penetrar en un superconductor de tipo II.