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Sandbox Physics
低温液体与超导有序

磁通怎样进入超导体并排成涡旋晶格

超导体里有磁通,为什么磁通芯之间还能超导?

  1. 给二类样品加磁场

  2. 让量子化涡旋进入

  3. 比较超导区与涡芯

  4. 检验混合态结构

涡旋晶格是平衡理想化;钉扎、缺陷和运动会显著改变真实样品响应。

磁通已经进来了,材料为什么还超导?

一种简单图景说:超导体先排斥磁场,外场太强时就完全回到正常态。它适合一类重要材料,却漏掉另一种可能:磁通以组织化的细管进入,管与管之间仍保持超导有序。于是材料进入“混合态”,既不是处处排磁,也不是处处恢复普通导电。

Abrikosov 说明,空间 Ginzburg—Landau 理论本来就允许这样的状态。核心对象是涡旋:绕中心一圈,超导相位发生绕转,电流沿周围环流。涡芯压低有序,磁场却伸到更远。因而,图像上一排亮点不能简单理解为一堆普通洞。要把理论和测量接起来,必须同时看相位、电流、磁场以及两种空间尺度。

来源:[4][1]

一批薄膜不再符合旧计算,转折在哪里?

Abrikosov 回顾时,从 Zavaritskii 的薄膜实验讲起。起初,测得临界场符合某个受限参数范围的计算;后来沉积时保持衬底低温,改变薄膜形貌,临界场行为也变了,原来的比较不再成立。他没有立刻把整套理论扔掉,而是去看早期处理基本搁置的一段参数。

这个参数比较磁场穿透与超导有序恢复的长度。比值足够大时,正常区和超导区的界面能会变号。1952 年工作引入后来称为二类超导的情形,1957 年混合态解则建立相关涡旋晶格图景。这个次序值得保留:实验失配推动人们寻找新解,理论并不是完成以后才顺手配上一张实验照片。

来源:[4]

绕一圈的相位,怎样固定磁通尺度?

离开涡芯,序参量不为零,可以沿闭合路径追踪相位。回到同一物理状态,绕转量必须是整圈的整数倍。对常规配对凝聚体,相应磁通尺度是 Planck 常数除以两个元电荷;在合适的体极限,单量子涡旋携带一份磁通量子。

在这个体相单量子涡旋描述中,平均内部磁感应强度除以一个磁通量子,给出涡旋面密度。磁感应强度用特斯拉,磁通用韦伯,密度就得到每平方米多少根。这里是样品内部的平均磁感应强度,不能无条件等同于外加磁场;屏蔽和样品形状会改变两者关系。尤其刚开始进入时,涡旋少、场分布很不均匀,更不能把外场旋钮数值直接当作处处相同的内部场。

来源:[4][3]

涡芯的大小,不等于磁场的宽度

相干长度说明序参量大小能多快恢复,因此给出涡芯尺度。穿透深度说明磁场怎样衰减;材料强烈属于二类时,磁场形成比涡芯宽得多的“晕”。两个尺度之间,明显的超导有序、环流与磁场可以同时存在。

涡旋不是一个装下全部磁通的刚性正常圆柱。序参量、电流和磁场各有不同径向分布。中心处有序降低,避免相位不确定;向外,磁场依靠屏蔽逐渐衰减。两个涡旋的分布重叠,就会相互作用;最简单二类范围中,远距离排斥有利于它们铺开成阵列。但缺陷、边界和各向异性,都会改变实验最后看到的排列。

来源:[4]

下临界与上临界,分别标记什么事件?

在理想体平衡描述中,下临界场标记第一根涡旋进入开始有利。材料并没有因此处处失去超导。继续加场,涡旋越来越多;靠近上临界场,涡芯相互重叠,有序才在整体上受到压制。因此,两次事件之间出现有限混合区,是有物理原因的。

近转变各向同性模型中,上临界磁感应强度等于磁通量子除以圆周率的两倍,再除以相干长度平方。若相干长度二十纳米,估计约零点八特斯拉;它依赖给定输入,不是某种真实材料全温区的相图。表面势垒、退磁场又会影响实验何时第一次看见磁通进入。分别测进入起始和最终有序消失,比只给一个“破坏超导的磁场”更能说明问题。

来源:[4]

阵列间距能不能算,而不只画出来?

最简单各向同性模型中,三角涡旋晶格的平衡能比方格稍低,Abrikosov 讲稿给出了对应无量纲能量因子的微小差别。真实晶体各向异性可能偏爱其他排列,所以三角形是有条件的模型预言,并不是所有超导体都必须遵守的图案。

每根涡旋占的面积,由磁通量子与平均磁感应强度决定;再加上三角几何,便得到下式间距。内部平均磁感应强度为零点一特斯拉时,约为一百五十纳米。场强变为四倍,间距缩为一半。这能把衍射图或图像中的几何特征接到另一项磁量上,而不只是在屏幕上把点画密。

av=2Φ03 B‾a_{\mathrm v}=\sqrt{\frac{2\Phi_0}{\sqrt3\,\overline B}}

来源:[4]

中子衍射与装饰成像,分别看到了什么?

体磁化曲线能显示混合态行为,却不会直接画出周期涡旋阵列。Abrikosov 提到,1964 年中子衍射和 1967 年磁装饰图像,是重要空间检验。前者借散射看周期磁结构;后者让磁性微粒在表面杂散场吸引的位置聚集,显出磁通进入位置。

两者都不是直接拍到材料内部每一点的完整序参量。探针几何和响应不同,解释也不同。若随场变化的间距、衍射和空间图像相互吻合,涡旋晶格的证据便比单一磁化曲线更强。看不见的集体场,就是这样经几种各有局限的观测,逐步成为可检验的物理对象。

来源:[4]

有静态涡旋晶格,不代表工作时一定没有损耗

输运电流可以推动涡旋运动;涡旋移动会改变相位,并可能产生电压。因此样品仍有超导有序,也可能出现耗散。缺陷造成的钉扎阻止运动,正是实用临界电流的重要来源。平衡临界场与器件最多能承受多大工作电流,回答的是不同问题。

2003 年授奖认可了这幅混合态图景。磁通可以一份份进入,在涡芯之间仍保留超导有序;它们怎样排列、怎样受到缺陷钉扎,又成为新的实验问题。超导材料的工作能力,因而同时依赖有序是否存在,以及这些磁通结构在电流推动下能否保持稳定。

来源:[4][2]

来源与阅读说明

  1. 2003 Nobel scientific background: superconductors and superfluids

    区分 Ginzburg、Abrikosov、Leggett 的理论及其实验背景。

  2. Nobel Prize in Physics 2003: official award

    核对获奖归属与年份。原始观测或理论论文往往早得多。

  3. Ginzburg: Nobel Lecture on superconductivity and superfluidity (2004 publication)

    作者发表的诺奖讲稿,涉及 GL 序参量、电荷及适用范围。

  4. Abrikosov: Nobel Lecture, type-II superconductors and the vortex lattice (2004 publication)

    作者叙述混合态解及其与实验磁结构的比较。

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