Review of the critical current densities and magnetic irreversibilities in high superconductors

(Received 18 June 1991, revised 17 February 1992, accepted 30 March 1992)

Abstract
This review article is concerned with critical current density ( J) and magnetic irreversibilities in high- superconductors (HTSC). The apparent J derived from different experimental techniques (transport, hysteresis cycle, ac-susceptibility) are compared. The influence of time (relaxation effects) as well as the macroscopic size of the sample on the criteria defining J are discussed. The dependences of the critical current on grain boundaries ("weaks-links"), texturing and other physical and chemical defects are examined in detail. The role of self fields is clarified. The critical current is strongly influenced by the anisotropy of the layered structure practically whatever the experimental conditions. Intrinsic pinning is lowered by defects. Demagnetizing effects and surface pinnings are reviewed. The usual critical state and flux creep models are recalled emphasizing the physical aspects most specific to HTSC. A theoretical model which takes into account the equilibrium magnetization and sample granularity is developed. It reproduces most of the characteristic features of both the hysteresis cycle and ac-susceptibility. A number of new formulae are introduced. They generalize the Bean model and show how to correct for the dimensions of the grains (granular materials), the macroscopic radius of the sample, anisotropy and demagnetization effects in certain situations. Several limits beyond which the usual critical state breaks down are discussed: (1) the quasi elastic limit where the variable field is too weak to depin the vortices, (2) so that the interaction between vortex lines is exponentially weak and (3) T and H close to the "irreversibility line" where the influence of viscous forces are strong. (4) so that J is governed by collective pinning.

Résumé
Ce papier de revue est consacré aux courant critiques ( J) et aux irréversibilités magnétiques dans les nouveaux matériaux supraconducteurs (HTSC). Nous y comparons les densités des courants critiques effectives déduites à partir des techniques expérimentales les plus courantes (transport, cycle d'hystérésis, susceptibilité alternative, ...). L'influence de l'échelle du temps de la mesure et de la taille effective de l'échantillon sur les divers critères définissant J est examinée en détail. La dépendance de ce courant en fonction des joints de grains ("liens faibles"), du degré de texture et des autres défauts physiques et chimiques est discutée. Le rôle du champ propre est clarifié. Le courant critique est très dépendant de l'anisotropie de l'échnatillon dans pratiquement toutes les conditions expérimentales. L'ancrage intrinsèque est détérioré par les défauts. Le rôle des effets démagnétisants et de la surface de l'échantillon sur les résultats expérimentaux est passé en revue. Les modèles de l'état critique et de "flus creep" sont rappelés en insistant sur les aspects les plus spécifiques des HTSC. Un modèle théorique est proposé. Il tient compte de l'aimantation réversible, des aspects granulaires et reproduit à la fois les propriétés les plus typiques des cycles d'hystérésis et de la suscceptibilité alternative. Plusieurs formules nouvelles généralisant le modèle de Bean en sont déduites. Elles montrent comment tenir compte des dimensions des grains (matériaux granulaires), du rayon macroscopique, de l'anisotropie et des effets démagnétisants, dans certaines conditions. Plusieurs limites au-delà desquelles les concepts classiques de l'état critique cessent d'être valides sont également examinés : (1) la limite élastique où le champ de mesure est trop faible pour dépiéger les vortex, (2) de sorte que les interactions entre vortex sont exponentiellement faibles et (3) et T voisins de la ligne d'irréversibilité où les forces de viscosité jouent un rôle prépondérant. (4) de sorte que J est imposé par l'ancrage collectif.