Теория сверхпроводимости
В физике , теория Гинзбурга-Ландау , часто называемая теорией Ландау-Гинзбурга , названная в честь Виталия Гинзбурга и Льва Ландау , является математической физической теорией , используемой для описания сверхпроводимости . В своей первоначальной форме она постулировалась как феноменологическая модель , которая могла бы описывать сверхпроводники I типа без изучения их микроскопических свойств. Одним из сверхпроводников GL-типа является знаменитый YBCO , и вообще все купраты . [1]
Позднее Лев Горьков вывел версию теории Гинзбурга–Ландау из микроскопической теории Бардина–Купера–Шриффера [2] , тем самым показав, что она также появляется в некотором пределе микроскопической теории, и дав микроскопическую интерпретацию всех ее параметров. Теории также можно придать общую геометрическую постановку, поместив ее в контекст римановой геометрии , где во многих случаях могут быть даны точные решения. Эта общая постановка затем распространяется на квантовую теорию поля и теорию струн , опять же из-за ее разрешимости и ее тесной связи с другими, похожими системами.
Введение
Основываясь на ранее установленной Ландау теории фазовых переходов второго рода , Гинзбург и Ландау утверждали, что плотность свободной энергии сверхпроводника вблизи сверхпроводящего перехода может быть выражена в терминах комплексного поля параметра порядка , где величина является мерой локальной плотности сверхпроводящих электронов, аналогичной квантово-механической волновой функции . [2] В то время как является ненулевым ниже фазового перехода в сверхпроводящее состояние, в оригинальной статье не было дано прямой интерпретации этого параметра. Предполагая малость и малость ее градиентов , плотность свободной энергии имеет форму теории поля и демонстрирует калибровочную симметрию U(1):
где
- — плотность свободной энергии нормальной фазы,
- и являются феноменологическими параметрами, которые являются функциями T (и часто записываются просто и ).
- - эффективная масса ,
- — эффективный заряд (обычно , где e — заряд электрона),
- - магнитный векторный потенциал , а
- это магнитное поле.
Полная свободная энергия определяется как . Минимизируя по отношению к вариациям параметра порядка и векторного потенциала , приходим к уравнениям Гинзбурга–Ландау
где обозначает плотность электрического тока без рассеяния , а Re — действительную часть . Первое уравнение, которое имеет некоторое сходство с независимым от времени уравнением Шредингера , но принципиально отличается из-за нелинейного члена, определяет параметр порядка, . Второе уравнение затем обеспечивает сверхпроводящий ток.
Простая интерпретация
Рассмотрим однородный сверхпроводник, в котором нет сверхпроводящего тока, и уравнение для ψ упрощается до:
Это уравнение имеет тривиальное решение: ψ = 0. Это соответствует нормальному проводящему состоянию, то есть для температур выше температуры сверхпроводящего перехода, T > T c .
Ниже температуры сверхпроводящего перехода, как ожидается, приведенное выше уравнение будет иметь нетривиальное решение (то есть ). При этом предположении приведенное выше уравнение можно переписать в:
Когда правая часть этого уравнения положительна, существует ненулевое решение для ψ (помните, что величина комплексного числа может быть положительной или нулевой). Этого можно достичь, предположив следующую температурную зависимость
с :
- Выше температуры сверхпроводящего перехода, T > T c , выражение α ( T ) / β положительно, а правая часть уравнения выше отрицательна. Величина комплексного числа должна быть неотрицательным числом, поэтому только ψ = 0 решает уравнение Гинзбурга–Ландау.
- Ниже температуры сверхпроводящего перехода, T < T c , правая часть уравнения выше положительна и существует нетривиальное решение для ψ . Более того, ψ стремится к нулю по мере приближения T к T c снизу. Такое поведение типично для фазового перехода второго рода.
В теории Гинзбурга–Ландау предполагалось, что электроны, способствующие сверхпроводимости, образуют сверхтекучую жидкость . [3] В этой интерпретации | ψ | 2 указывает на долю электронов, которые сконденсировались в сверхтекучую жидкость. [3]
Длина когерентности и глубина проникновения
Уравнения Гинзбурга–Ландау предсказали две новые характерные длины в сверхпроводнике. Первая характерная длина была названа длиной когерентности , ξ . Для T > T c (нормальная фаза) она определяется как
в то время как для T < T c (сверхпроводящая фаза), где это более актуально, оно определяется как
Она устанавливает экспоненциальный закон, согласно которому малые возмущения плотности сверхпроводящих электронов восстанавливают свое равновесное значение ψ 0 . Таким образом, эта теория характеризует все сверхпроводники двумя масштабами длины. Второй из них — глубина проникновения λ . Ранее она была введена братьями Лондон в их теории Лондон . Выраженная через параметры модели Гинзбурга–Ландау, она имеет вид
где ψ 0 — равновесное значение параметра порядка в отсутствие электромагнитного поля. Глубина проникновения задает экспоненциальный закон, по которому внешнее магнитное поле затухает внутри сверхпроводника.
Первоначальная идея о параметре κ принадлежит Ландау. Отношение κ = λ / ξ в настоящее время известно как параметр Гинзбурга–Ландау. Ландау предположил, что сверхпроводниками I рода являются те, у которых 0 < κ < 1/ √ 2 , а сверхпроводниками II рода — те, у которых κ > 1/ √ 2 .
Колебания
Фазовый переход из нормального состояния является переходом второго рода для сверхпроводников II типа с учетом флуктуаций, как показали Дасгупта и Гальперин, тогда как для сверхпроводников I типа он является переходом первого рода, как показали Гальперин, Лубенски и Ма. [4]
Классификация сверхпроводников
В оригинальной статье Гинзбург и Ландау наблюдали существование двух типов сверхпроводников в зависимости от энергии интерфейса между нормальным и сверхпроводящим состояниями. Состояние Мейсснера разрушается, когда приложенное магнитное поле слишком велико. Сверхпроводники можно разделить на два класса в зависимости от того, как происходит этот разрыв. В сверхпроводниках I типа сверхпроводимость резко разрушается, когда напряженность приложенного поля превышает критическое значение H c . В зависимости от геометрии образца можно получить промежуточное состояние [5], состоящее из барочного узора [6] областей нормального материала, несущего магнитное поле, смешанного с областями сверхпроводящего материала, не содержащими поля. В сверхпроводниках II типа увеличение приложенного поля выше критического значения H c 1 приводит к смешанному состоянию (также известному как вихревое состояние), в котором все большее количество магнитного потока проникает в материал, но не остается сопротивления потоку электрического тока, пока ток не слишком велик. При второй критической напряженности поля H c 2 сверхпроводимость разрушается. Смешанное состояние на самом деле вызвано вихрями в электронной сверхтекучей жидкости, иногда называемыми флюксонами , поскольку поток, переносимый этими вихрями, квантуется . Большинство чистых элементарных сверхпроводников, за исключением ниобия и углеродных нанотрубок , относятся к типу I, тогда как почти все нечистые и составные сверхпроводники относятся к типу II.
Самое важное открытие теории Гинзбурга-Ландау было сделано Алексеем Абрикосовым в 1957 году. Он использовал теорию Гинзбурга-Ландау для объяснения экспериментов со сверхпроводящими сплавами и тонкими пленками. Он обнаружил, что в сверхпроводнике II рода в сильном магнитном поле поле проникает в треугольную решетку квантованных трубок вихрей потока . [7]
Геометрическая формулировка
Функционал Гинзбурга–Ландау может быть сформулирован в общем случае комплексного векторного расслоения над компактным римановым многообразием . [8] Это тот же функционал, что и приведенный выше, транспонированный в обозначения, обычно используемые в римановой геометрии. В нескольких интересных случаях можно показать, что он демонстрирует те же явления, что и выше, включая вихри Абрикосова (см. обсуждение ниже).
Для комплексного векторного расслоения над римановым многообразием со слоем параметр порядка понимается как сечение векторного расслоения . Тогда функционал Гинзбурга–Ландау является лагранжианом для этого сечения:
Здесь используются следующие обозначения. Предполагается, что волокна снабжены эрмитовым внутренним произведением , так что квадрат нормы записывается как . Феноменологические параметры и были поглощены, так что потенциальный энергетический член представляет собой потенциал мексиканской шляпы четвертой степени ; т.е., демонстрирующий спонтанное нарушение симметрии с минимумом при некотором действительном значении . Интеграл явно берется по объемной форме
для -мерного многообразия с определителем метрического тензора .
Это однократная форма связи и это соответствующая 2-форма кривизны (это не то же самое, что свободная энергия, приведенная выше; здесь соответствует тензору напряженности электромагнитного поля ). Соответствует векторному потенциалу , но в общем случае неабелев, когда , и нормируется по-разному. В физике принято записывать связь как для электрического заряда и векторного потенциала ; в римановой геометрии удобнее отбросить (и все другие физические единицы) и взять однократную форму , принимающую значения в алгебре Ли, соответствующей группе симметрии волокна. Здесь группа симметрии — это SU(n) , поскольку это оставляет скалярное произведение инвариантным; поэтому здесь — форма, принимающая значения в алгебре .
Кривизна обобщает напряженность электромагнитного поля на неабелеву установку, как форму кривизны аффинной связности на векторном расслоении . Это традиционно записывается как
То есть, каждая из них является кососимметричной матрицей. (См. статью о метрической связи для дополнительного пояснения этой конкретной нотации.) Чтобы подчеркнуть это, отметим, что первый член функционала Гинзбурга–Ландау, включающий только напряженность поля, равен
что является просто действием Янга–Миллса на компактном римановом многообразии.
Уравнения Эйлера –Лагранжа для функционала Гинзбурга–Ландау — это уравнения Янга–Миллса [9]
и
где — сопряженный к , аналогичный кодифференциалу . Обратите внимание, что они тесно связаны с уравнениями Янга–Миллса–Хиггса .
Конкретные результаты
В теории струн принято изучать функционал Гинзбурга–Ландау для многообразия, являющегося римановой поверхностью , и принимая ; т. е. линейное расслоение . [10] Явление вихрей Абрикосова сохраняется в этих общих случаях, включая , где можно указать любое конечное множество точек, где обращается в нуль, включая кратность. [11] Доказательство обобщается на произвольные римановы поверхности и кэлеровы многообразия . [12] [13] [14] [15] В пределе слабой связи можно показать, что равномерно сходится к 1, в то время как и равномерно сходятся к нулю, а кривизна становится суммой по распределениям дельта-функций на вихрях. [16] Сумма по вихрям с кратностью как раз равна степени линейного расслоения; в результате можно записать линейное расслоение на римановой поверхности как плоское расслоение с N особыми точками и ковариантно постоянным сечением.
Когда многообразие является четырехмерным, обладающим структурой спина c , то можно написать очень похожий функционал, функционал Зайберга–Виттена , который может быть проанализирован аналогичным образом и который обладает многими похожими свойствами, включая самодуальность. Когда такие системы интегрируемы , они изучаются как системы Хитчина .
Самодвойственность
Когда многообразие является римановой поверхностью , функционал можно переписать так, чтобы явно показать самодуальность. Это достигается путем записи внешней производной в виде суммы операторов Дольбо . Аналогично, пространство одноформ над римановой поверхностью распадается на пространство, которое является голоморфным, и пространство, которое является антиголоморфным: , так что формы в голоморфны в и не зависят от ; и наоборот для . Это позволяет записать векторный потенциал как и аналогично с и .
Для случая , когда волокно расположено так, что пучок представляет собой линейный пучок , напряженность поля можно аналогично записать как
Обратите внимание, что в используемом здесь соглашении о знаках и являются чисто мнимыми ( то есть U(1) генерируется, так что производные являются чисто мнимыми). Тогда функционал становится
Интеграл понимается по объемной форме
- ,
так что
- это общая площадь поверхности . Это звезда Ходжа , как и прежде. Степень линейного пучка над поверхностью равна
где находится первый класс Черна .
Лагранжиан минимизируется (стационарен) при решении уравнений Гинзберга–Ландау
Обратите внимание, что оба эти уравнения являются дифференциальными уравнениями первого порядка, явно самодуальными. Интегрируя второе из них, можно быстро обнаружить, что нетривиальное решение должно подчиняться
- .
Грубо говоря, это можно интерпретировать как верхний предел плотности вихрей Абрикосова. Можно также показать, что решения ограничены; необходимо иметь .
В теории струн
В физике элементарных частиц любая квантовая теория поля с уникальным классическим вакуумным состоянием и потенциальной энергией с вырожденной критической точкой называется теорией Ландау–Гинзбурга. Обобщение до N = (2,2) суперсимметричных теорий в 2 пространственно-временных измерениях было предложено Кумруном Вафой и Николасом Уорнером в ноябре 1988 года; [17] в этом обобщении предполагается, что суперпотенциал обладает вырожденной критической точкой. В том же месяце вместе с Брайаном Грином они утверждали, что эти теории связаны потоком ренормгруппы с сигма-моделями на многообразиях Калаби–Яу . [18] В своей статье 1993 года «Фазы N = 2 теорий в двух измерениях» Эдвард Виттен утверждал, что теории Ландау–Гинзбурга и сигма-модели на многообразиях Калаби–Яу являются разными фазами одной и той же теории. [19] Конструкция такой дуальности была получена путем связывания теории Громова–Виттена орбифолдов Калаби–Яу с теорией FJRW, аналогичной теории Ландау–Гинзбурга «FJRW». [20] Сигма-модели Виттена позднее использовались для описания низкоэнергетической динамики 4-мерных калибровочных теорий с монополями, а также бранных конструкций. [21]
Смотрите также
Ссылки
- ^ Wesche, Rainer (2017). "Высокотемпературные сверхпроводники" (PDF) . Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials . Springer Handbooks. стр. 1233. doi :10.1007/978-3-319-48933-9_50. ISBN 978-3-319-48931-5.
- ^ ab Tsuei, CC; Kirtley, JR Симметрия спаривания в купратных сверхпроводниках (PDF) . IBM Thomas J. Watson Research Center. стр. 970.
- ^ ab Гинзбург ВЛ (июль 2004). «О сверхпроводимости и сверхтекучести (что удалось и не удалось), а также о «физическом минимуме» в начале XXI века». ChemPhysChem . 5 (7): 930–945. doi :10.1002/cphc.200400182. PMID 15298379.
- ^ Гальперин, Б.; Лубенский, Т.; Ма, С. (11 февраля 1974 г.). «Фазовые переходы первого порядка в сверхпроводниках и смектических-А жидких кристаллах». Physical Review Letters . 32 (6): 292–295. Bibcode :1974PhRvL..32..292H. doi :10.1103/PhysRevLett.32.292 . Получено 7 апреля 2022 г. .
- ^ Лев Д. Ландау; Евгений М. Лифшиц (1984). Электродинамика сплошных сред . Курс теоретической физики . Том 8. Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-2634-7.
- ^ Дэвид Дж. Э. Каллауэй (1990). «О замечательной структуре сверхпроводящего промежуточного состояния». Nuclear Physics B. 344 ( 3): 627–645. Bibcode : 1990NuPhB.344..627C. doi : 10.1016/0550-3213(90)90672-Z.
- ^ Абрикосов, АА (1957). Магнитные свойства сверхпроводящих сплавов. Журнал физики и химии твердого тела , 2(3), 199–208.
- ^ Йост, Юрген (2002). «Функционал Гинзбурга–Ландау». Риманова геометрия и геометрический анализ (третье изд.). Springer-Verlag. стр. 373–381. ISBN 3-540-42627-2.
- ^ Йост, Юрген (2008). «Функционал Гинзбурга–Ландау». Риманова геометрия и геометрический анализ (пятое изд.). Springer-Verlag. стр. 521–522. ISBN 978-3-540-77340-5.
- ^ Хитчин, Нью-Джерси (1987). «Уравнения самодвойственности на римановой поверхности». Труды Лондонского математического общества . s3-55 (1): 59–126. doi :10.1112/plms/s3-55.1.59. ISSN 0024-6115.
- ^ Таубс, Клиффорд Генри (1980). «Произвольные решения N-вихрей для уравнений Гинзбурга-Ландау первого порядка». Сообщения по математической физике . 72 (3). Springer Science and Business Media LLC: 277–292. Bibcode :1980CMaPh..72..277T. doi :10.1007/bf01197552. ISSN 0010-3616. S2CID 122086974.
- ^ Брэдлоу, Стивен Б. (1990). «Вихри в голоморфных линейных расслоениях над замкнутыми кэлеровыми многообразиями». Сообщения по математической физике . 135 (1). Springer Science and Business Media LLC: 1–17. Bibcode : 1990CMaPh.135....1B. doi : 10.1007/bf02097654. ISSN 0010-3616. S2CID 59456762.
- ^ Брэдлоу, Стивен Б. (1991). «Специальные метрики и устойчивость для голоморфных расслоений с глобальными сечениями». Журнал дифференциальной геометрии . 33 (1). International Press of Boston: 169–213. doi : 10.4310/jdg/1214446034 . ISSN 0022-040X.
- ^ Гарсия-Прада, Оскар (1993). «Инвариантные связи и вихри». Сообщения по математической физике . 156 (3). Springer Science and Business Media LLC: 527–546. Bibcode : 1993CMaPh.156..527G. doi : 10.1007/bf02096862. ISSN 0010-3616. S2CID 122906366.
- ^ Гарсия-Прада, Оскар (1994). «Прямое доказательство существования уравнений вихрей над компактной римановой поверхностью». Бюллетень Лондонского математического общества . 26 (1). Wiley: 88–96. doi :10.1112/blms/26.1.88. ISSN 0024-6093.
- ^ MC Hong, J, Jost, M Struwe, «Асимптотические пределы функционала типа Гинзберга-Ландау», Геометрический анализ и вариационное исчисление для Стефана Хильдебрандта (1996) International Press (Бостон), стр. 99-123.
- ^ Vafa, Cumrun; Warner, Nicholas (февраль 1989). «Катастрофы и классификация конформных теорий». Physics Letters B. 218 ( 1): 51–58. Bibcode : 1989PhLB..218...51V. doi : 10.1016/0370-2693(89)90473-5.
- ^ Грин, BR; Вафа, C.; Уорнер, NP (сентябрь 1989). «Многообразия Калаби-Яу и потоки ренормгруппы». Nuclear Physics B. 324 ( 2): 371–390. Bibcode :1989NuPhB.324..371G. doi :10.1016/0550-3213(89)90471-9.
- ↑ Виттен, Эдвард (16 августа 1993 г.). «Фазы теорий N = 2 в двух измерениях». Nuclear Physics B . 403 (1): 159–222. arXiv : hep-th/9301042 . Bibcode :1993NuPhB.403..159W. doi :10.1016/0550-3213(93)90033-L. S2CID 16122549.
- ^ Фань, Хуэйцзюнь; Джарвис, Тайлер; Руан, Йонбин (1 июля 2013 г.). «Уравнение Виттена, зеркальная симметрия и теория квантовой сингулярности». Annals of Mathematics . 178 (1): 1–106. arXiv : 0712.4021 . doi : 10.4007/annals.2013.178.1.1 . S2CID 115154206.
- ^ Гайотто, Давиде ; Гуков, Сергей ; Зайберг, Натан (2013), «Поверхностные дефекты и растворители», Журнал физики высоких энергий , 2013 (9): 70, arXiv : 1307.2578 , Bibcode : 2013JHEP...09..070G, doi : 10.1007/JHEP09(2013)070, S2CID 118498045
Статьи
- В. Л. Гинзбург и Л. Д. Ландау, ЖЭТФ, 20 , 1064 (1950). Английский перевод в: Л. Д. Ландау, Сборник статей (Оксфорд: Pergamon Press, 1965) стр. 546
- А. А. Абрикосов, ЖЭТФ 32 , 1442 (1957) (перевод на английский: Sov. Phys. JETP 5 1174 (1957)].) Оригинальная работа Абрикосова о вихревой структуре сверхпроводников II рода, полученная как решение уравнений Г–Л при κ > 1/√2
- Л. П. Горьков, ЖЭТФ 36 , 1364 (1959)
- Нобелевская лекция А.А. Абрикосова 2003 года: файл pdf или видео
- Нобелевская лекция В. Л. Гинзбурга 2003 года: файл pdf или видео