Supravodič typu 1,5 - Type-1.5 superconductor

Supravodiče typu 1,5 jsou vícesložkové supravodiče charakterizované dvěma nebo více koherenční délky, z nichž alespoň jedno je kratší než magnetické pole délka průniku ${displaystyle lambda}$a alespoň jeden z nich je delší. To je na rozdíl od jednosložkových supravodičů, kde existuje pouze jedna délka koherence ${displaystyle xi}$ a supravodič je nutně buď typ 1 (${displaystyle xi> lambda}$) nebo typ 2 (${displaystyle xi$) (délka koherence je často definována extra.) ${displaystyle 2 ^ {1/2}}$ faktor, s takovou definicí jsou odpovídající nerovnosti ${displaystyle xi> {sqrt {2}} lambda}$ a ${displaystyle xi <{sqrt {2}} lambda}$). Při umístění v magnetickém poli by se měly tvořit supravodiče typu 1,5 kvantové víry: buzení nesoucí magnetický tok. Umožňují magnetickému poli procházet supravodiči v důsledku vířivé cirkulace supravodivých částic (elektronických párů). U supravodičů typu 1,5 mají tyto víry atraktivní a odpudivou interakci na krátkou vzdálenost. V důsledku toho může supravodič typu 1,5 v magnetickém poli vytvořit fázovou separaci do domén s vypuzeným magnetickým polem a shluky kvantových vírů, které jsou navzájem spojeny atraktivními meziventilovými silami. Domény Meissner stát zachovat dvousložkovou supravodivost, zatímco ve vírových klastrech je jedna ze supravodivých složek potlačena. Takové materiály by tedy měly umožňovat koexistenci různých vlastností supravodičů typu I a typu II.

Podrobné vysvětlení

Supravodiče typu I zcela vytlačte vnější magnetická pole, pokud je síla aplikovaného pole dostatečně nízká. Také superproud může proudit pouze na povrchu takového supravodiče, ale ne v jeho vnitřku. Tento stav se nazývá Meissner stát. Avšak při zvýšeném magnetickém poli, když se energie magnetického pole stane srovnatelnou se supravodivou kondenzační energií, supravodivost je zničen tvorbou makroskopicky velkých inkluzí nesupravodivé fáze.

Supravodiče typu II, kromě Meissner stát, mají jiný stav: dostatečně silné aplikované magnetické pole může vytvářet proudy uvnitř supravodiče v důsledku tvorby kvantové víry. Víry také přenášejí magnetický tok vnitřkem supravodiče. Tyto kvantové víry se navzájem odpuzují, a proto mají sklon vytvářet jednotné vírové mřížky nebo kapaliny.^[1] Formálně vírová řešení existují také v modelech supravodivosti typu I, ale interakce mezi víry je čistě atraktivní, takže systém mnoha vírů je nestabilní proti kolapsu do stavu jedné obrovské normální domény se superproudem tekoucím na jeho povrchu. Ještě důležitější je, že víry v supravodiči typu I jsou energeticky nepříznivé. Jejich výroba by vyžadovala použití magnetického pole silnějšího, než jaké dokáže udržet supravodivý kondenzát. Supravodič typu I tedy jde spíše do nesupravodivých stavů, než aby vytvářel víry. Obvykle Teorie Ginzburg – Landau, pouze kvantové víry s čistě odpudivou interakcí jsou energeticky dostatečně levné, aby mohly být indukovány aplikovaným magnetickým polem.

Bylo navrženo^[2] že dichotomii typu I / typu II lze rozbít ve vícesložkových supravodičích, které mají několik délek koherence.

Příklady vícesložkové supravodivosti jsou vícepásmové supravodiče diborid hořečnatý a oxypnictides a exotické supravodiče s netriviálním párováním Cooper. Tam lze rozlišit dvě nebo více supravodivých složek spojených, například s elektrony, patří do různých pásem struktura pásma. Odlišným příkladem dvousložkových systémů jsou projektované supravodivé stavy kapaliny kovový vodík nebo deuterium, kde byly teoreticky předpovězeny směsi supravodivých elektronů a supravodivých protonů nebo deuteronů.

Bylo také poukázáno na to, že systémy, které mají fázové přechody mezi různými supravodivými stavy, například mezi ${displaystyle s}$ a ${displaystyle s + is}$ nebo mezi ${displaystyle U (1)}$ a ${displaystyle U (1) imes U (1)}$ by měl spíše obecně upadnout do stavu typu 1.5 poblíž tohoto přechodu kvůli divergenci jedné z délek koherence.

Souhrn vlastností supravodiče typu 1,5^[3]

	Supravodič typu I.	Supravodič typu II	Supravodič typu 1,5
Charakteristické délkové stupnice	Stupnice délky variace charakteristického magnetického pole (London penetration depth ) je menší než charakteristická délková stupnice variace hustoty kondenzátu (supravodivá délka koherence ) ${displaystyle {sqrt {2}} lambda$	Stupnice délky variace charakteristického magnetického pole (London penetration depth) je větší než stupnice charakteristické délky variace hustoty kondenzátu (supravodivá délka koherence) ${displaystyle {sqrt {2}} lambda> xi}$	Dvě charakteristické délkové stupnice variace hustoty kondenzátu ${displaystyle xi _ {1}}$, ${displaystyle xi _ {2}}$. Charakteristická stupnice délky variace magnetického pole je menší než jedna z charakteristických délkových stupnic variace hustoty a větší než jiná charakteristická délková stupnice variace hustoty ${displaystyle xi _ {1} <{sqrt {2}} lambda$
Intervortexová interakce	přitažlivý	Odporný	Atraktivní na velkou vzdálenost a odpudivé na krátkou vzdálenost
Fáze v magnetickém poli čistého hromadného supravodiče	(1) Meissnerův stav na nízkých polích; (2) Makroskopicky velké normální domény ve větších polích. Fázový přechod prvního řádu mezi stavy (1) a (2)	(1) Meissnerův stav na nízkých polích, (2) vírové mřížky / kapaliny na větších polích.	(1) Meissnerův stav na nízkých polích (2) „Semi-Meissnerův stav“: vírové klastry koexistující s Meissnerovými doménami v mezilehlých polích (3) Mřížky / kapaliny víru na větších polích.
Fázové přechody	Fázový přechod prvního řádu mezi stavy (1) a (2)	Fázový přechod druhého řádu mezi stavy (1) a (2) a fázový přechod druhého řádu mezi stavem (2) do normálního stavu	Fázový přechod prvního řádu mezi stavy (1) a (2) a fázový přechod druhého řádu mezi stavem (2) do normálního stavu.
Energie supravodivé / normální hranice	Pozitivní	Negativní	Negativní energie supravodiče / normálního rozhraní uvnitř vírové hvězdokupy, pozitivní energie na hranici vírové hvězdokupy
Nejslabší magnetické pole potřebné k vytvoření víru	Větší než termodynamické kritické magnetické pole	Menší než termodynamické kritické magnetické pole	V některých případech větší než kritické magnetické pole pro jediný vír, ale menší než kritické magnetické pole pro vírový shluk
Energie E (N) N-kvanta axiálně symetrických vírových řešení	E (N) / N	E (N) / N> E (N – 1) / (N – 1) pro všechny N, tj. Vír N-kvanta se rozpadá v 1-kvanta vírech	Existuje charakteristické množství kvanta toku NC takové, že E (N) / N C a E (N) / N> E (N – 1) / (N – 1) pro N> NC, N-kvanta vír se rozpadá na vírový shluk

Supravodič typu 1,5 ve směsích nezávisle konzervovaných kondenzátů

U vícesložkových supravodičů s tzv. Symetrií U (1) xU (1) je Ginzburg-Landauův model součtem dvou jednosložkových Ginzburg-Landauových modelů, které jsou spojeny vektorovým potenciálem ${displaystyle A}$ :

${displaystyle F = suma _ {i, j = 1,2} {frac {1} {2m}} | (abla -ieA) psi _ {i} | ^ {2} + alpha _ {i} | psi _ { i} | ^ {2} + eta _ {i} | psi _ {i} | ^ {4} + {frac {1} {2}} (abla imes A) ^ {2}}$

kde ${displaystyle psi _ {i} = | psi _ {i} | e ^ {iphi _ {i}}, i = 1,2}$ jsou dva supravodivé kondenzáty. V případě, že jsou kondenzáty spojeny pouze elektromagneticky, tj ${displaystyle A}$ model má tři délkové stupnice: London penetration length ${displaystyle lambda = {frac {1} {e {sqrt {| psi _ {1} | ^ {2} + | psi _ {2} | ^ {2}}}}}}$ a dvě délky soudržnosti ${displaystyle xi _ {1} = {frac {1} {sqrt {2alpha _ {1}}}}, xi _ {2} = {frac {1} {sqrt {2alpha _ {2}}}}}$. Vířivé excitace v tom případě mají jádra v obou složkách, které jsou soustředěny kvůli elektromagnetické vazbě zprostředkované polem ${displaystyle A}$. Nutnou, ale nedostatečnou podmínkou pro vznik režimu typu 1,5 je ${displaystyle xi _ {1}> lambda> xi _ {2}}$.^[2] Dodatečná podmínka termodynamické stability je splněna pro řadu parametrů. Tyto víry mají nemonotonickou interakci: přitahují se navzájem na velké vzdálenosti a odpuzují se navzájem na krátké vzdálenosti.^[2][3][4]Ukázalo se, že existuje řada parametrů, kde jsou tyto víry dostatečně energeticky příznivé, aby byly vzrušitelné vnějším polem, bez ohledu na atraktivní interakci. To má za následek vytvoření speciální supravodivé fáze v nízkých magnetických polích, která se nazývá stav „Semi-Meissner“.^[2] Víry, jejichž hustota je řízena aplikovanou hustotou magnetického toku, netvoří pravidelnou strukturu. Místo toho by měli mít tendenci vytvářet vírové „kapičky“ kvůli atraktivní interakci na velké vzdálenosti způsobené potlačováním hustoty kondenzátu v oblasti kolem víru. Takové vírové klastry by měly koexistovat s oblastmi dvousložkových Meissnerových domén bez vírů. Uvnitř takového vírového klastru je komponenta s větší koherenční délkou potlačena: takže tato komponenta má znatelný proud pouze na hranici klastru.

Supravodivost typu 1,5 ve vícepásmových systémech

V dvoupásmový supravodič elektrony v různých pásmech se nezachovávají nezávisle, takže definice dvou supravodivých složek je odlišná. Dvoupásmový supravodič je popsán následujícím modelem Ginzburg-Landau.^[5]

${displaystyle F = suma _ {i, j = 1,2} {frac {1} {2m}} | (abla -ieA) psi _ {i} | ^ {2} + alpha _ {i} | psi _ { i} | ^ {2} + eta _ {i} | psi _ {i} | ^ {4} -eta (psi _ {1} psi _ {2} ^ {*} + psi _ {1} ^ {* } psi _ {2}) + gamma [(abla -ieA) psi _ {1} cdot (abla + ieA) psi _ {2} ^ {*} + (abla + ieA) psi _ {1} ^ {*} cdot (abla -ieA) psi _ {2}] + u | psi _ {1} | ^ {2} | psi _ {2} | ^ {2} + {frac {1} {2}} (abla imes A ) ^ {2}}$

kde znovu ${displaystyle psi _ {i} = | psi _ {i} | e ^ {iphi _ {i}}, i = 1,2}$ jsou dva supravodivé kondenzáty. Ve vícepásmových supravodičích docela obecně ${displaystyle eta eq 0, gamma eq 0}$.Když ${displaystyle eta eq 0, gama eq 0, u eq 0}$ třemi délkovými škálami problému jsou opět londýnská penetrační délka a dvě koherentní délky. V tomto případě však délka soudržnosti ${displaystyle {ilde {xi}} _ {1} (alpha _ {1}, eta _ {1}, alpha _ {2}, eta _ {2}, eta, gamma, u), {ilde {xi}} _ {2} (alfa _ {1}, eta _ {1}, alfa _ {2}, eta _ {2}, eta, gama, u)}$ jsou spojeny se „smíšenými“ kombinacemi polí hustoty.^[3][4][6]

Mikroskopické modely

Byla popsána mikroskopická teorie supravodivosti typu 1,5.^[4]

Současný experimentální výzkum

V roce 2009 byly hlášeny experimentální výsledky^[7][8][9] tvrdí to diborid hořečnatý může spadat do této nové třídy supravodivosti. Pro tento stav byl vytvořen termín supravodič typu 1,5. Další experimentální data podporující tento závěr byla uvedena v ^[10]. Novější teoretické práce ukazují, že typ 1,5 může být obecnějším jevem, protože nevyžaduje materiál se dvěma skutečně supravodivými pásmy, ale může k němu dojít i v důsledku velmi malého efektu mezipásmové blízkosti^[6] a je robustní v přítomnosti různých mezipásmových vazeb, jako je například mezipásmová Josephsonova vazba.^[3][11]V roce 2014 experimentální studie naznačila, že Sr2RuO4 je supravodič typu 1,5.^[12]

Netechnické vysvětlení

U supravodičů typu I a typu II se vzory toku náboje dramaticky liší. Typ I má dvě vlastnosti určující stav: Nedostatek elektrického odporu a skutečnost, že neumožňuje průchod vnějšího magnetického pole. Když se na tyto materiály aplikuje magnetické pole, supravodivé elektrony produkují na povrchu silný proud, který zase vytváří magnetické pole v opačném směru. Uvnitř tohoto typu supravodiče se vnější magnetické pole a pole vytvořené povrchovým tokem elektronů sčítají až k nule. To znamená, že se navzájem ruší. V supravodivých materiálech typu II, kde může dojít ke komplikovanému toku supravodivých elektronů hluboko uvnitř. V materiálu typu II může proniknout magnetické pole, nesené uvnitř víry, které tvoří Abrikosovovu vířivou mřížku. V supravodiči typu 1,5 jsou alespoň dvě supravodivé součásti. Tam může vnější magnetické pole vytvářet shluky pevně zabalených kapiček víru, protože v takových materiálech by se víry měly navzájem přitahovat na velké vzdálenosti a odpuzovat na krátkých délkách. Vzhledem k tomu, že přitažlivost pochází z překrytí jádra víru v jedné ze supravodivých složek, bude tato složka vyčerpána ve vířivém klastru. Shluk vírů tedy bude představovat dva konkurenční typy superflow. Jedna složka bude tvořit víry seskupené dohromady, zatímco druhá složka bude produkovat nadproud proudící na povrchu vírových klastrů podobným způsobem, jakým proudí elektrony na vnější straně supravodičů typu I. Tyto vírové klastry jsou odděleny „dutinami“, bez vírů, proudů a magnetického pole.^[13]

Animace supravodivého chování typu 1,5

Filmy z numerických simulací stavu Semi-Meissner, kde Meissnerovy domény koexistují s klastry, kde se kapičky víru tvoří v jedné supravodivé složce a makroskopické normální domény v druhé.^[14]

Viz také

Reference

externí odkazy

Animace z numerických výpočtů tvorby vírových klastrů jsou k dispozici naNumerické simulace vzniku vírových klastrů v supravodičích typu 1,5. "