Сверхпроводник типа 1.5

Многокомпонентные сверхпроводники, характеризующиеся двумя или более длинами когерентности

Сверхпроводники типа 1.5 являются многокомпонентными сверхпроводниками, характеризующимися двумя или более длинами когерентности , по крайней мере одна из которых короче длины проникновения магнитного поля , и по крайней мере одна из которых длиннее. Это контрастирует с однокомпонентными сверхпроводниками, где есть только одна длина когерентности и сверхпроводник обязательно является либо типом 1 ( ), либо типом 2 ( ) (часто длина когерентности определяется с дополнительным множителем, при таком определении соответствующие неравенства и ). При помещении в магнитное поле сверхпроводники типа 1.5 должны образовывать квантовые вихри : возбуждения, переносящие магнитный поток. Они позволяют магнитному полю проходить через сверхпроводники из-за вихреподобной циркуляции сверхпроводящих частиц (электронных пар). В сверхпроводниках типа 1.5 эти вихри имеют дальнодействующее притягивающее и короткодействующее отталкивающее взаимодействие. Вследствие этого сверхпроводник типа 1.5 в магнитном поле может образовывать фазовое разделение на домены с вытесненным магнитным полем и кластеры квантовых вихрей, которые связаны между собой притягивающими межвихревыми силами. Домены мейсснеровского состояния сохраняют двухкомпонентную сверхпроводимость, тогда как в вихревых кластерах подавляется одна из сверхпроводящих компонент. Таким образом, такие материалы должны допускать сосуществование различных свойств сверхпроводников типа I и типа II. ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \xi }$ ${\displaystyle \xi >\lambda }$ ${\displaystyle \xi <\lambda }$ ${\displaystyle 2^{1/2}}$ ${\displaystyle \xi >{\sqrt {2}}\lambda }$ ${\displaystyle \xi <{\sqrt {2}}\lambda }$

Описание

Сверхпроводники I рода полностью вытесняют внешние магнитные поля, если напряженность приложенного поля достаточно мала. Кроме того, сверхток может течь только по поверхности такого сверхпроводника, но не внутри него. Это состояние называется состоянием Мейсснера . Однако при повышенном магнитном поле, когда энергия магнитного поля становится сравнимой с энергией сверхпроводящей конденсации, сверхпроводимость разрушается из-за образования макроскопически больших включений несверхпроводящей фазы.

Сверхпроводники II типа , помимо состояния Мейсснера , обладают еще одним состоянием: достаточно сильное приложенное магнитное поле может создавать токи внутри сверхпроводника за счет образования квантовых вихрей . Вихри также переносят магнитный поток через внутреннюю часть сверхпроводника. Эти квантовые вихри отталкиваются друг от друга и, таким образом, имеют тенденцию образовывать однородные вихревые решетки или жидкости. ^[1] Формально вихревые решения существуют также в моделях сверхпроводимости I типа, но взаимодействие между вихрями является чисто притяжением, поэтому система из многих вихрей нестабильна относительно коллапса в состояние одного гигантского нормального домена с текущим по его поверхности сверхтоком. Что еще более важно, вихри в сверхпроводнике I типа энергетически невыгодны. Для их создания потребовалось бы приложение магнитного поля, более сильного, чем то, которое может выдержать сверхпроводящий конденсат. Таким образом, сверхпроводник I типа переходит в несверхпроводящие состояния, а не образует вихри. В обычной теории Гинзбурга-Ландау только квантовые вихри с чисто отталкивательным взаимодействием энергетически достаточно дешевы, чтобы их можно было индуцировать приложенным магнитным полем.

Было высказано предположение ^[2] , что дихотомия типа I/типа II может быть нарушена в многокомпонентных сверхпроводниках, которые обладают множественными длинами когерентности.

Примерами многокомпонентной сверхпроводимости являются многозонные сверхпроводники диборид магния и оксипниктиды и экзотические сверхпроводники с нетривиальным куперовским спариванием. Там можно выделить два или более сверхпроводящих компонента, связанных, например, с электронами, принадлежащими к разным зонам зонной структуры . Другим примером двухкомпонентных систем являются проектируемые сверхпроводящие состояния жидкого металлического водорода или дейтерия, где смеси сверхпроводящих электронов и сверхпроводящих протонов или дейтронов были теоретически предсказаны.

Было также отмечено, что системы, имеющие фазовые переходы между различными сверхпроводящими состояниями, такими как между и или между и, скорее всего, должны в общем случае попадать в состояние типа 1.5 вблизи этого перехода из-за расхождения одной из длин когерентности. ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle s+is}$ ${\displaystyle U(1)}$ ${\displaystyle U(1)\times U(1)}$

В смесях независимо сохраняющихся конденсатов

Для многокомпонентных сверхпроводников с так называемой симметрией U(1)xU(1) модель Гинзбурга-Ландау представляет собой сумму двух однокомпонентных моделей Гинзбурга-Ландау, которые связаны векторным потенциалом  : ${\displaystyle A}$

${\displaystyle F=\sum _{i,j=1,2}{\frac {1}{2m}}|(\nabla -ieA)\psi _{i}|^{2}+\alpha _{i}|\psi _{i}|^{2}+\beta _{i}|\psi _{i}|^{4}+{\frac {1}{2}}(\nabla \times A)^{2}}$

где — два сверхпроводящих конденсата. В случае, если конденсаты связаны только электромагнитно, то есть по модели имеет три масштаба длины: лондоновскую длину проникновения и две длины когерентности . Вихревые возбуждения в этом случае имеют ядра в обеих компонентах, которые соцентрированы из-за электромагнитной связи, опосредованной полем . Необходимым, но не достаточным условием для возникновения режима типа 1.5 является . ^[2] Дополнительное условие термодинамической устойчивости выполняется для ряда параметров. Эти вихри имеют немонотонное взаимодействие: они притягиваются друг к другу на больших расстояниях и отталкиваются друг от друга на малых расстояниях. ^{[2] [3] [4]} Было показано, что существует ряд параметров, при которых эти вихри энергетически достаточно выгодны, чтобы быть возбудимыми внешним полем, несмотря на притягивающее взаимодействие. Это приводит к образованию особой сверхпроводящей фазы в слабых магнитных полях, называемой «полумейсснеровским» состоянием. ^[2] Вихри, плотность которых контролируется приложенной плотностью магнитного потока, не образуют регулярной структуры. Вместо этого они должны иметь тенденцию к образованию вихревых «капель» из-за дальнодействующего притягивающего взаимодействия, вызванного подавлением плотности конденсата в области вокруг вихря. Такие вихревые кластеры должны сосуществовать с областями безвихревых двухкомпонентных мейсснеровских доменов. Внутри такого вихревого кластера подавляется компонент с большей длиной когерентности: так что этот компонент имеет заметный ток только на границе кластера. ${\displaystyle \psi _{i}=|\psi _{i}|e^{i\phi _{i}},i=1,2}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \lambda ={\frac {1}{e{\sqrt {|\psi _{1}|^{2}+|\psi _{2}|^{2}}}}}}$ ${\displaystyle \xi _{1}={\frac {1}{\sqrt {2\alpha _{1}}}},\xi _{2}={\frac {1}{\sqrt {2\alpha _{2}}}}}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \xi _{1}>\lambda >\xi _{2}}$

В многополосных системах

В двухзонном сверхпроводнике электроны в разных зонах не сохраняются независимо, поэтому определение двух сверхпроводящих компонентов отличается. Двухзонный сверхпроводник описывается следующей моделью Гинзбурга-Ландау. ^[5]

${\displaystyle F=\sum _{i,j=1,2}{\frac {1}{2m}}|(\nabla -ieA)\psi _{i}|^{2}+\alpha _{i}|\psi _{i}|^{2}+\beta _{i}|\psi _{i}|^{4}-\eta (\psi _{1}\psi _{2}^{*}+\psi _{1}^{*}\psi _{2})+\gamma [(\nabla -ieA)\psi _{1}\cdot (\nabla +ieA)\psi _{2}^{*}+(\nabla +ieA)\psi _{1}^{*}\cdot (\nabla -ieA)\psi _{2}]+\nu |\psi _{1}|^{2}|\psi _{2}|^{2}+{\frac {1}{2}}(\nabla \times A)^{2}}$

где снова два сверхпроводящих конденсата. В многозонных сверхпроводниках довольно обобщенно . Когда три масштаба длины проблемы снова являются лондонской длиной проникновения и двумя длинами когерентности. Однако в этом случае длины когерентности связаны со «смешанными» комбинациями полей плотности. ^{[3] [4] [6]} ${\displaystyle \psi _{i}=|\psi _{i}|e^{i\phi _{i}},i=1,2}$ ${\displaystyle \eta \neq 0,\gamma \neq 0}$ ${\displaystyle \eta \neq 0,\gamma \neq 0,\nu \neq 0}$ ${\displaystyle {\tilde {\xi }}_{1}(\alpha _{1},\beta _{1},\alpha _{2},\beta _{2},\eta ,\gamma ,\nu ),{\tilde {\xi }}_{2}(\alpha _{1},\beta _{1},\alpha _{2},\beta _{2},\eta ,\gamma ,\nu )}$

Микроскопические модели

Была опубликована микроскопическая теория сверхпроводимости типа 1.5. ^[4]

Текущие экспериментальные исследования

В 2009 году были опубликованы экспериментальные результаты ^{[7] [8] [9],} утверждающие, что диборид магния может относиться к этому новому классу сверхпроводимости. Для этого состояния был введен термин сверхпроводник типа 1.5. Дальнейшие экспериментальные данные, подтверждающие этот вывод, были опубликованы в ^[10] . Более поздние теоретические работы показывают, что тип 1.5 может быть более общим явлением, поскольку для него не требуется материал с двумя действительно сверхпроводящими зонами, но он также может возникнуть в результате даже очень небольшого эффекта межзонной близости ^[6] и является устойчивым в присутствии различных межзонных связей, таких как межзонная джозефсоновская связь. ^{[3] [11]} В 2014 году экспериментальное исследование показало, что Sr2RuO4 является сверхпроводником типа 1.5. ^[12]

Нетехническое объяснение

Сверхпроводники типа I и типа II имеют кардинально разные модели потока заряда. Сверхпроводники типа I обладают двумя определяющими состояние свойствами: отсутствием электрического сопротивления и тем фактом, что они не позволяют внешнему магнитному полю проходить через них. Когда к этим материалам прикладывается магнитное поле, сверхпроводящие электроны создают сильный ток на поверхности, который, в свою очередь, создает магнитное поле в противоположном направлении, чтобы компенсировать внутреннее магнитное поле, подобно тому, как типичные проводники компенсируют внутренние электрические поля с поверхностным распределением заряда . Внешнее приложенное магнитное поле достаточно малой напряженности компенсируется внутри сверхпроводника типа I полем, создаваемым поверхностным током. Однако в сверхпроводящих материалах типа II сложный поток сверхпроводящих электронов может образовываться глубоко внутри материала. В материале типа II магнитные поля могут проникать внутрь, переносимые вихрями, которые образуют вихревую решетку Абрикосова.

В сверхпроводниках типа 1.5 есть по крайней мере два сверхпроводящих компонента. В таких материалах внешнее магнитное поле может создавать кластеры плотно упакованных вихревых капель, поскольку в таких материалах вихри должны притягиваться друг к другу на больших расстояниях и отталкиваться на малых масштабах длины. Поскольку притяжение возникает в перекрытиях вихревых ядер в одном из сверхпроводящих компонентов, этот компонент будет истощен в вихревом кластере. Таким образом, вихревой кластер будет представлять два конкурирующих типа сверхпотока. Один компонент будет образовывать вихри, сгруппированные вместе, в то время как второй компонент будет создавать сверхток, текущий по поверхности вихревых кластеров способом, подобным тому, как электроны текут по внешней стороне сверхпроводников типа I. Эти вихревые кластеры разделены «пустотами», без вихрей, без токов и без магнитного поля. ^[13]

Анимации

Видеоролики численного моделирования полумейсснеровского состояния, где мейсснеровские домены сосуществуют с кластерами, где вихревые капли образуются в одном сверхпроводящем компоненте, а макроскопические нормальные домены — в другом. ^[14]

Ссылки

1. Алексей А. Абрикосов (8 декабря 2003 г.). "Сверхпроводники II типа и вихревая решетка" (PDF) . Нобелевская лекция . Архивировано из оригинала (PDF) 2017-08-10.
2. Егор Бабаев и Мартин Дж. Спейт (2005). "Полумейсснеровское состояние и сверхпроводимость не первого и не второго типа в многокомпонентных сверхпроводниках". Physical Review B. 72 ( 18): 180502. arXiv : cond-mat/0411681 . Bibcode : 2005PhRvB..72r0502B. doi : 10.1103/PhysRevB.72.180502.
3. Йохан Карлстром; Егор Бабаев; Мартин Спейт (2011). "Сверхпроводимость типа 1.5 в многозонных системах: эффекты межзонных связей". Physical Review B. 83 ( 17): 174509. arXiv : 1009.2196 . Bibcode : 2011PhRvB..83q4509C. doi : 10.1103/PhysRevB.83.174509. S2CID  55328941.
4. Михаил Силаев; Егор Бабаев (2011). "Микроскопическая теория сверхпроводимости типа 1.5 в многозонных системах". Phys. Rev. B . 84 (9): 094515. arXiv : 1102.5734 . Bibcode :2011PhRvB..84i4515S. doi :10.1103/PhysRevB.84.094515. S2CID  39470430.
5. А. Гуревич (2007). "Симиты верхнего критического поля в грязных двухщелевых сверхпроводниках". Physica C. 456 ( 1–2): 160. arXiv : cond-mat/0701281 . Bibcode : 2007PhyC..456..160G. doi : 10.1016/j.physc.2007.01.008. S2CID  31265536.
6. Бабаев, Егор; Карлстрём, Йохан; Спейт, Мартин (2010). "Состояние сверхпроводимости типа 1.5 из эффекта внутренней близости в двухзонных сверхпроводниках". Physical Review Letters . 105 (6): 067003. arXiv : 0910.1607 . Bibcode :2010PhRvL.105f7003B. doi :10.1103/PhysRevLett.105.067003. PMID  20868000. S2CID  10153868.
7. VV Moshchalkov; M. Menghini; T. Nishio; QH Chen; AV Silhanek; VH Dao; LF Chibotaru; ND Zhigadlo; J. Karpinsky (2009). "Сверхпроводники типа 1.5" (PDF) . Physical Review Letters . 102 (11): 117001. arXiv : 0902.0997 . Bibcode :2009PhRvL.102k7001M. doi :10.1103/PhysRevLett.102.117001. PMID  19392228. S2CID  10831135.
8. Чо, Адриан (13 марта 2009 г.). "Обнаружен новый тип сверхпроводимости". ScienceNOW . Архивировано из оригинала 2009-03-15.
9. "Сверхпроводник типа 1.5 показывает свои полоски". Physics World . 17 февраля 2009 г. Архивировано из оригинала 2009-12-31.
10. Тайчиро Нисио; Ву Хунг Дао; Цинхуа Чен; Ливиу Ф. Чиботару; Казуо Кадоваки; Виктор В. Мощалков (2010). "Сканирующая SQUID-микроскопия вихревых кластеров в многозонных сверхпроводниках". Physical Review B. 81 ( 2): 020506. arXiv : 1001.2199 . Bibcode : 2010PhRvB..81b0506N. doi : 10.1103/PhysRevB.81.020506. S2CID  118449097.
11. Дао; Чиботару; Нисио; Мощалков (2010). «Гигантские вихри, вихревые кольца и возвратное поведение в сверхпроводниках типа 1,5». Physical Review B. 83 ( 2): 020503. arXiv : 1007.1849 . Bibcode : 2011PhRvB..83b0503D. doi : 10.1103/PhysRevB.83.020503. S2CID  118441576.
12. Ray, SJ; et al. (2014). "Измерения вращения спина мюона в состоянии вихря в Sr2RuO4: сверхпроводимость типа 1.5, кластеризация вихрей и переход от треугольной к квадратной решетке вихрей". Physical Review B. 89 ( 9): 094504. arXiv : 1403.1767 . Bibcode : 2014PhRvB..89i4504R. doi : 10.1103/PhysRevB.89.094504. S2CID  54646251.
13. Массачусетский университет в Амхерсте (24 октября 2011 г.). «Физики представили теорию нового вида сверхпроводимости». Phys.org .
14. Йохан Карлстрём, Жюльен Гаро и Егор Бабаев Непарные силы взаимодействия в вихревом кластере в многокомпонентных сверхпроводниках arXiv:1101.4599, Дополнительный материал

Внешние ссылки

Анимации численных расчетов образования вихревых кластеров доступны в разделе «Численное моделирование образования вихревых кластеров в сверхпроводниках типа 1,5».