Para una temperatura dada, el campo crítico se refiere a la fuerza máxima del campo magnético por debajo de la cual un material permanece superconductor. La superconductividad se caracteriza tanto por una conductividad perfecta (resistencia cero) como por la expulsión completa de los campos magnéticos (el efecto Meissner ). Los cambios en la temperatura o en la densidad del 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 fuerza 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 térmica observada en la transición superconductora generalmente está relacionada con la pendiente del campo crítico ( ) a la temperatura crítica ( ): [2]
También existe una relación directa entre el campo crítico y la corriente crítica , la máxima densidad de corriente eléctrica que un material superconductor determinado 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 ese 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 cero), pero luego puede llegar a 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 sigue siendo 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 la 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 haber un estado mixto con penetración parcial de la superficie exterior por el campo magnético (y, por lo tanto, estado normal parcial), mientras que el interior de la muestra permanece superconductor.
Los superconductores de tipo II permiten un tipo diferente de estado mixto, en el que el campo magnético (por encima del campo crítico inferior ) puede penetrar a lo largo de "agujeros" cilíndricos a través del material, cada uno de los cuales lleva un cuanto de flujo magnético . A lo largo de estos cilindros de flujo, el material está 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 y, finalmente, en el campo crítico superior , 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 tipo II a 0 K ( cero absoluto ).
Más propiamente, el campo crítico superior es una función de la temperatura (y la presión) y, si no se especifican, se implican el 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 =2,07 × 10 −15 T⋅m 2 /(2 πξ 2 ) . [3]
El campo crítico inferior es la densidad de flujo magnético en la que el flujo magnético comienza a penetrar en un superconductor tipo II.
