¿Cómo se determina la temperatura de transición superconductora para un material no homogéneo?

Existen dos métodos predominantes para medir Tc a partir de sondas a granel: resistividad y susceptibilidad magnética. En un superconductor, la resistividad debe ser cero y la susceptibilidad magnética debe ser negativa, lo que refleja el hecho de que los superconductores expulsan su campo magnético (para el último, consulte ¿Qué es la fracción de volumen superconductor y cómo se mide?). Dibujaré algunas caricaturas de cómo se muestra la falta de homogeneidad en estos experimentos, y luego daré un ejemplo de la literatura.

En las mediciones de resistividad, si las regiones de Tc más altas forman una ruta contigua (ignorando el posible acoplamiento de Josephson entre parches cercanos) de un lado de la muestra a otro, “acortarán” las mediciones de resistividad, de modo que la presencia de las regiones de Tc más bajas en no detectado. En ese sentido, la resistividad siempre mide ‘la mejor’ parte de una muestra superconductora. En la imagen a continuación, las regiones azules (izquierda) tienen una Tc más alta, y esto es lo que se mide en resistividad (derecha).

Las mediciones de susceptibilidad dan una medida más precisa de la Tc ‘promedio’, y también pueden brindar información sobre cuán no homogénea es la muestra. Cuando una fracción suficiente de la muestra (suficiente para cancelar las contribuciones paramagnéticas en estado normal) se vuelve superconductora, la susceptibilidad se volverá negativa. A medida que la temperatura disminuye y más de la muestra se vuelve superconductora, la susceptibilidad se vuelve más negativa hasta que finalmente se nivela cuando toda la muestra es superconductora. El ancho de esta transición nos habla sobre la falta de homogeneidad. Si tiene gradientes en Tc, generalmente verá una curva suave (como la siguiente) y si hay dos valores discretos de Tc, verá dos pasos. En la literatura, las personas citan el inicio de Tc (cuando aproximadamente las mejores partes se vuelven superconductoras), el punto medio Tc (cuando aproximadamente la mitad es superconductor), o ambos.
Ahora a un ejemplo del mundo real. A continuación se muestra la susceptibilidad y la resistividad medidas para HgBa2Ca2Cu3O8 cuando se descubrió por primera vez. Este es el compuesto que tiene la Tc más alta jamás (130 K a presión ambiente, 164 a alta presión). Hay muchas Tc dentro de una sola muestra porque hay compuestos similares con una Tc más baja que crecen como fases secundarias cuando esta se sintetiza.
Ref. De revista: Schilling et al, Nature 363 p56 (1993)

En la figura anterior, la susceptibilidad (arriba) tiene varios pasos que indican varios Tc discretos. La resistividad también tiene un comportamiento desordenado, lo que sugiere que la fase de Tc más alta no forma una ruta contigua. Tenga en cuenta que la resistividad, incluso el hombro adicional, proporciona una transición superconductora mucho más nítida que la susceptibilidad. El resumen del artículo cita “~ 133K” como la Tc máxima del compuesto que sintetizaron.