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Sandbox Physics
低温液体与超导有序

超导有序怎样在空间里变化

尚不知道微观配对时,唯象场怎样预言界面与磁响应?

  1. 引入复序参量

  2. 展开自由能

  3. 加入梯度和磁耦合

  4. 比较长度尺度与响应

受控展开适用于连续转变附近,系数对应给定材料与近似。

超导体碰到正常区,边界处到底发生什么?

一块金属被称为超导体,不等于里面每个位置都完全一样。靠近表面、缺陷或穿入磁通的区域,超导有序会减弱,再经过一段距离恢复。怎样描述这一段变化,与解释均匀样品为何零电阻,是不同的问题。理论必须既说明有序有多强,也说明让它在空间变化要付出什么代价。

Ginzburg 和 Landau 在 1950 年引入一种复序参量:样品每个位置都有一个大小和相位。它是一种有效描述,先把对长尺度现象重要的变量留下,而不逐个追踪电子。那时 BCS 配对理论尚未出现,研究者却已能对界面和磁响应作预言。后来微观理论才解释,为什么这套办法在转变附近特别有效。

来源:[2][5][6]

先问自由能:有序是获利,还是花费?

接近连续转变时,序参量足够小,自由能可以按其大小展开。最简单情况里,二次项系数随温度变号,正的四次项则阻止有序无限增大。转变以上,自由能最低点在零;转变以下,非零有序反而降低自由能。系数把材料的微观信息浓缩进来,却不是全世界通用的几个数字。

带电凝聚体若在空间变化,还需加入梯度代价与磁场能。这一关系采用国际单位制,磁感应强度用特斯拉;系数约定须与序参量归一化一致;物理凝聚电荷是固定的,常规配对电荷大小为两个元电荷,矢势负责电磁耦合。对自由能寻找最低状态,就能同时得到有序场与磁响应的方程。一张“正常区接着超导区”的示意图,由此变成可以计算的能量竞争。

这项估算中以零场正常态作为参考,磁场能另行计入。若要比较外加磁场下的平衡状态,还须采用与场边界条件匹配的热力学势;不能拿一块孤立样品的能量表达式,省略外部供场系统后就直接判定所有磁态。

来源:[5][6]

为什么不能只用一个“超导浓度”?

序参量的大小说明局部有序有多强,相位则让理论能描述超电流和干涉。如果只留下一个实数“浓度”,就会丢掉相位扭转怎样与电磁场共同作用。真正可观测的结果,取决于相位变化与矢势的组合,不能随数学上采用的规范改变。

这个场也不是某一个电子在样品里运动的普通波函数,而是集体有序的描述。对常规超导体,电磁耦合对应的配对电荷大小为两个元电荷;微观理论及磁通量子化等后果,逐步说明了这个含义。Ginzburg 的回顾展示了一种有意思的研究方式:有效变量可以先在观测上取得成功,再由更深理论解释它为何有用。

来源:[5][1]

相干长度与穿透深度,分别在恢复什么?

在边界附近压低超导有序的大小,它经过一段距离恢复,这段尺度叫相干长度。给厚样品施加弱磁场,处于 Meissner 态时,屏蔽电流让磁场向内衰减,尺度则叫穿透深度。两者恢复的东西不同,自然不必相等。它们的比值,就是 Ginzburg—Landau 参数。

最简单的各向同性体理论给出下式中的分界值。可以把它理解为两种空间代价的比较:一边要压低有序,一边要容纳磁场。举一个合成近转变材料的例子,若穿透深度一百纳米、相干长度二十纳米,比值为五,已明显位于二类一侧。这里输入的是教学尺度,未把它冒充某种材料的实测参数;它让“长短不同”成为可计算的区别。

κ=λξ,κc=12\kappa=\frac{\lambda}{\xi},\qquad\kappa_{\mathrm c}=\frac{1}{\sqrt2}

来源:[5][6]

这些空间尺度,怎样接到实验读数?

这套理论可预言薄膜、细线及磁场中的超导变化。Abrikosov 回顾早期薄膜临界场实验时讲到,某类制备样品起先符合一种受限计算,改变制备后却出现不同结果。已有数据符合理论,不代表理论的全部解都已看完;探索另一种长度比,反而揭示了二类行为。

一个直观估算是各向同性近转变模型的上临界磁感应强度:它与相干长度平方成反比。若相干长度二十纳米,估计约为零点八特斯拉;长度加倍,场尺度便降为四分之一。这个条件算例比只涂几块相区更有信息,因为它说明谁在控制数值。真实材料的各向异性、表面和几何,还需要相应处理。

来源:[6][5]

为什么总要强调转变附近?

自由能展开最可靠的地方,是序参量较小、空间变化足够缓慢的近转变范围。温度远低于转变点时,同样的少数系数与最低阶项未必仍能定量适用。强涨落、多分量序参量或明显各向异性,都可能要求扩展。写上 Ginzburg—Landau 的名字,不会让任意材料、任意温度的曲线自动可信。

后来 Gor’kov 从常规超导微观理论建立近转变联系,说明 GL 与 BCS 为什么会重叠。但两者回答的问题仍有区别:BCS 研究微观配对态和激发谱,GL 组织长尺度有序与电磁响应。重叠区域能相互检验,才是联系的价值,而不是从此可以把两套理论在所有情境下互换。

来源:[5][6][3]

集体变量连接了材料与磁响应

2003 年,Ginzburg、Abrikosov、Leggett 因相关却不同的超导、超流理论获奖。本文的带电标量序参量适合有限的超导背景,氦三则有更丰富的内部结构,不能全都压成一个通用“凝聚”故事。

2003 年,Ginzburg、Abrikosov 与 Leggett 因不同的超导、超流理论贡献获奖。带电标量序参量描述一种超导有序怎样在空间恢复、怎样与磁场竞争;氦三又需要更丰富的内部方向信息。Ginzburg—Landau 方法的力量,在于挑出与问题有关的集体变量,把材料信息放进可测参数,再计算界面、长度尺度和磁态。

来源:[5][4]

来源与阅读说明

  1. Josephson: The discovery of tunneling supercurrents (1973)

    依赖相位的配对电流、电压引起的相位演化及后续实验。

  2. Ginzburg: On superconductivity and superfluidity (2003)

    唯象序参量、有效电荷,以及适用范围。

  3. Bardeen, Cooper and Schrieffer: Theory of superconductivity (1957)

    原始微观理论把预言与热容、穿透和能隙证据比较。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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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