Semiconductor Tipo I

Semiconductor Tipo I

Comportamiento típico de un superconductor de tipo I en presencia de un campo magnético.
Los superconductores de tipo I superconductores que en presencia de un campo magnético establecen corrientes superficiales que impiden que dicho campo penetre en el material; este fenómeno se conoce como efecto Meissner.
Fueron los primeros superconductores en ser descubiertos, y su comportamiento está ampliamente explicado dentro del marco de la teoría BCS, propuesta en 1957.

Todos ellos son elementos puros (si bien no quiere decir que todos los elementos puros sean de este tipo), como el aluminio, el mercurio (que fue el primer superconductor que se identificó) o el plomo.

Tienen una única temperatura crítica Tc por encima de la cual dejan de comportarse como tales de manera brusca, y por lo tanto empiezan a tener resistencia eléctrica, en contraposición a los superconductores de tipo II (los cuales tienen dos temperaturas críticas, entre las cuales se hallan mezclados el estado superconductor y el estado normal). El cambio es tan brusco que, por ejemplo, en el caso del galio sucede en un inervalo de temperatira de 2·10-5 K
Su temperatura crítica es muy baja, no superior a los 7 Kelvins (que es el caso del plomo en ausencia de campos magnéticos).

Tienen un único campo magnético crítico Hc.
La magnetización de la muestra aumenta según aumenta el campo magnético externo para contrarrestarlo y que en el interior dicho campo sea nulo, lo que da lugar al efecto Meissner; en cuanto se alcanza el campo magnético crítico, la magnetización cae bruscamente a cero.
El campo magnético crítico es relativamente bajo, por lo general no superior a los 0.2 Teslas, si los comparamos con los superconductores de tipo II (que pueden ser cientos de veces superiores).

El parámetro de Ginzburg-Landau es (y por lo general ), lo que significa que la longitud de penetración es mucho menor que la longitud de coherencia de Ginzburg-Landau.
Todos ellos son a su vez superconductores convencionales, es decir, se pueden explicar mediante la teoría BCS (por el contrario, sólo unos pocos superconductores de tipo II son convencionales).

Semiconductor Tipo II

Diferencia entre las reacciones a un campo magnético externo de un superconductor de tipo I (en rojo) y un superconductor de tipo II (en azul). Para contrarrestar el campo externo, el superconductor adquiere una magnetización que cae bruscamente (si el superconductor es de tipo I) o gradualmente (si es de tipo II) antes de pasar al estado normal.
Los superconductores de tipo II son aquellos materiales que en lugar de pasar bruscamente del estado superconductor al estado normal (como sí hacen los de tipo I), van gradualmente de uno a otro.

El primer superconductor de este tipo fue descubierto en 1930 por

Wander Johannes de Haas y J. Voogd, aunque no se pudo reconocer como tal hasta el descubrimiento del efecto Meissner.

Propiedades:
Grupo heterogéneo: al contrario que los de tipo I (que son todos elementos puros), los superconductores de este tipo son un grupo heterogéneo: pueden ser aleaciones, cerámicas o elementos puros; entre estos últimos encontramos tan sólo cuatro: el carbono (pero sólo los fulerenos y los nanotubos, pues cuando se encuentra en forma de diamante o grafito nunca alcanza el estado superconductor), el niobio, el tecnecio y el vanadio.

Dos temperaturas críticas: si no aplicamos ningún campo magnético vemos que hay un intervalo de temperaturas, entre Tc1 y Tc2, en el que el material está en un estado mixto (también conocido como fase de Shubnikov, por Lev Shubnikov) en el que conviven el estado superconductor y el normal (mientras que en los superconductores de tipo I el paso de un estado a otro es discontinuo). Si vamos aumentando el campo magnético, estas dos temperaturas van siendo cada vez más bajas, y si es el campo es lo suficientemente grande, el material no es conductor ni siquiera en el cero absoluto.

Dos campos magnéticos críticos: por otro lado, si fijamos la temperatura cuando la sustancia está en estado superconductor y aplicamos un campo magnético, encontramos una situación parecida: a partir de un cierto valor Hc1 el campo comienza a poder penetrar el material, y si lo aumentamos hasta un valor Hc2 el estado superconductor desaparece por completo.

La magnetización aumenta según aumenta el campo magnético externo para contrarrestarlo y que en el interior dicho campo sea nulo, lo que da lugar al efecto Meissner; pero al contrario de lo que pasa en los superconductores de tipo I (donde la magnetización se anula bruscamente cuando se alcanza el campo magnético crítico) en los de tipo II la magnetización alcanza el máximo en Hc1, tras el cual empieza a disminuir gradualmente (permitiendo así que el campo magnético externo vaya penetrando en la muestra) y no se anula hasta alcanzar Hc2.

Aún no hay una teoría satisfactoria que los explique: la mayoría de ellos (con excepciones notables como el niobio) son

no convencionales, es decir, la teoría BCS no explica plenamente sus propiedades.

La mayoría son no convencionales, es decir, sus propiedades no están explicadas dentro del marco de la teoría BCS (con algunas excepciones como el niobio o el diboruro de magnesio, que sí que son convencionales).

Clasificación de los Superconductores

Estructura de la cerámica de óxido de itrio, bario y cobre, más conocida como YBCO, un ejemplo de superconductor de tipo II, no convencional y de alta temperatura.
Los superconductores se suelen clasificar atendiendo a distintos criterios, que pueden estar relacionados con su comportamiento físico, la comprensión que tenemos de ellos, el coste económico para utilizarlos o el material de que están hechos.

Por su comportamiento físico:
Superconductores de tipo I: son los que tienen un único campo magnético crítico Hc, y pasan bruscamente del estado superconductor al normal.
Superconductores de tipo II: son aquellos en los que se pueden considerar dos campos magnéticos críticos, Hc1 y Hc2, estando plenamente en el estado superconductor para un campo magnético externo por debajo de Hc1 y en el estado normal por encima de Hc2, hallándose en un estado mixto cuando el campo magnético se halla entre ambos.
Este criterio se debe a Alekséi Abrikósov y fue propuesto en 1957. De forma más rigurosa se emplea el parámetro de Ginzburg-Landau, de modo que
si (especialmente, si ) entonces la energía superficial del superconductor es positiva y se trata de un superconductor de tipo I, (especialmente, si ) entonces la energía superficial del superconductor es negativa y se trata de un superconductor de tipo II.
Por la teoría que los explica
Láminas de niobio de 1 mm de espesor. El niobio es un elemento puro superconductor de baja temperatura (Tc = 9K), y uno de los pocos ejemplos de superconductor de tipo II a la vez que convencional.
Superconductores convencionales: son los que se pueden explicar mediante la teoría BCS o sus derivados (lo que significa que los pares de Cooper se forman debido a la interacción electrón-fonón).
Superconductores no convencionales: son los que no se pueden explicar mediante dichas teorías (es decir, los pares de Cooper no se forman únicamente por la interacción electrón-fonón, y además intervienen procesos magnéticos que complican el problema).
La importancia de este criterio de clasificación se basa en que tenemos una teoría, la teoría BCS, que explica con éxito las propiedades de los superconductores convencionales desde 1957, mientras que no hay aún una teoría satisfactoria que explique los superconductores no convencionales. Para estudiar los superconductores no convencionales se suele emplear la teoría Ginzburg-Landau, que sin embargo es una teoría macroscópica (es decir, no explica las propiedades a partir de primeros principios como sí hace la teoría BCS, que es una teoría microscópica). El estudio riguroso de los superconductores no convencionales es un problema no resuelto en física.
En la mayoría de los casos, los superconductores de tipo I son a su vez convencionales, pero hay algunas excepciones, como por ejemplo el niobio o el diboruro de magnesio, que son a la vez convencionales y de tipo II

Por su temperatura crítica: Superconductores de baja temperatura: suelen llamarse así a aquellos cuya temperatura crítica está por debajo de los 77K.
Superconductores de alta temperatura: suelen llamarse así a aquellos cuya temperatura crítica está por encima de los 77K.
La razón por la que se suele tomar dicha temperatura está en la facilidad con la que podemos enfriar el material (marcando una diferencia en el precio de los experimentos dedicados a su estudio), ya que por encima de 77K podemos utilizar métodos de enfriado de bajo coste, como el nitrógeno líquido, en lugar de otros como el helio líquido.
Por otra parte los superconductores de alta temperatura son mucho más interesantes desde el punto de vista de las aplicaciones prácticas, razón por la cual muchos centros de investigación centran sus esfuerzos en buscar y diseñar materiales que tengan una temperatura crítica un poco más alta.
En algunas ocasiones se dice que el diboruro de magnesio (cuya temperatura crítica es de 39K) es de alta temperatura, lo cual contradice el criterio aquí expuesto, y de hecho no es una afirmación muy rigurosa. La razón de ello es que su temperatura es relativamente alta comparada con los demás superconductores de su grupo, los superconductores convencionales (su temperatura crítica es un 70% más elevada que la del segundo de su grupo, el germaniuro de niobio, que tiene 23K).

Por el material:Elementos puros (si bien no todos los elementos puros alcanzan el estado superconductor), la mayoría de los superconductores que son elementos puros son de tipo I, con la excepción del niobio, el tecnecio, el vanadio y las estructuras de carbono que se mencionan más abajo.
Aleaciones, como por ejemplo
El NbTi (niobio-titanio) cuya propiedad superconductora se descubrió en 1962.
El AuIn (oro-indio), un superconductor descubierto en 1997.
El URhGe (aleación de uranio, rodio y germanio), del cual se descubrió en 2005 que sigue siendo superconductor incluso a elevados campos magnéticos (si bien su temperatura crítica es muy baja, unos 0.28K).
Superconductores orgánicos, estructuras de carbono (concretamente fulerenos y nanotubos). Puesto que están compuestos únicamente por átomos de carbono, técnicamente se pueden considerar entre los elementos puros, pero al no ser metales se pueden poner como un grupo aparte. Nótese que otras estructuras de carbono puro como el diamante y el grafito nunca son superconductoras.
Cerámicas entre las que tenemos
El grupo YBCO, conocido por sus siglas inglesas para óxidos de itrio, bario y cobre, son toda una familia de materiales muy complejos, y los superconductores de alta temperatura más conocidos.
El diboruro de magnesio (MgB2), su temperatura crítica es 39K, lo que lo convierte en el superconductor convencional de temperatura crítica más alta conocido