Superconductividad: Tipos, Teoría BCS y Materiales

Superconductores

Existen dos tipos principales de superconductores:

Tipo 1

En estos, a una temperatura (T) menor a la temperatura crítica (Tc), existe un campo crítico Hc(T) por encima del cual el material deja de ser superconductor.

Hc(T) = Hc(0)(1-T^2/Tc^2). El campo magnético (H) no penetra (salvo en la superficie) hasta que se destruye por completo el estado superconductor (por encima de Hc(T)).

Tipo 2

Puede penetrar parte de la inducción magnética siempre que H esté entre dos valores críticos (Hc2 y Hc1). Hc2 se comporta como Hc(T) en los de tipo 1, mientras que Hc1 se comporta de forma distinta. En el estado mixto, parte del flujo magnético sí penetra la muestra. La inducción magnética en ese estado es distinta de 0 localmente, gracias a la formación de vórtices (una especie de filamentos). A mayor densidad de vórtices, mayor densidad magnética en el material. Al aumentar H, aumenta la proporción de material normal ya que aumenta la densidad de vórtices. Si se llega a Hc > Hc2, se destruye por completo el estado superconductor. También hay un valor crítico de la corriente, por encima de la cual el estado superconductor desaparece. Este valor de corriente crítica depende de T y de H. Los valores críticos de las tres magnitudes (T, H, corriente) dependen del valor de las otras dos.

Teoría BCS de la Superconductividad

Esta teoría explica bien los superconductores de tipo 1. En los conductores normales, la resistencia eléctrica se debe a las colisiones de los electrones con las imperfecciones de la red cristalina.

En los superconductores, el modelo es diferente. Se forman pares de electrones llamados pares de Cooper que tienen asociado un espín = 0 y se comportan como bosones en lugar de fermiones. Para que sea efectiva la formación de los pares de Cooper, la temperatura tiene que ser muy baja, ya que de lo contrario, las vibraciones de la red no permiten la distorsión necesaria. El resultado es que en las bandas de energía se formarán unos GAP pequeños con energías prohibidas.

Materiales Superconductores

Los primeros que se descubrieron fueron los metales. La mayoría son de tipo 1 y con Tc < 10K. Se puede conseguir mediante aleación que el metal pase a ser de tipo 2 (ej: Pb + 2-20% In). La Tc apenas variará.

Los más investigados son los de tipo 2 ya que son menos entendidos y tienen mejores aplicaciones debido a que tienen mayores Tc y Hc.

Los de mayor Tc son los basados en cupratos, relacionados con estructuras perovskitas ABO3 con B = Cu y A un catión más grande. Estos materiales tienen Tc > TfN2. Las estructuras de estos materiales superconductores se basan en capas tipo perovskita enlazadas por capas tipo halita o fluorita. Pueden ser no estequiométricos y la Tc está muy relacionada con su composición, en particular la variación en la composición de oxígeno.

Ejemplos:

• La2CuO, se dopan con Ba2+, Sr2+, Cu2+ que sustituyen al La3+.
• YBa2Cu3O7-x (3 celdas de perovskita y los átomos de oxígeno se reordenan). Se obtiene una Tc de en torno a 93K.