三維介觀超導(dǎo)環(huán)渦旋態(tài)相變研究.pdf

1、納米技術(shù)的高速發(fā)展使人們能夠在實(shí)驗(yàn)上制備各種形狀的介觀超導(dǎo)體，同時(shí)也增加了科學(xué)家研究它們的興趣。因?yàn)樗粌H能增加我們對(duì)超導(dǎo)物理的理解，還能推動(dòng)超導(dǎo)電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
　　 介觀超導(dǎo)體是指其尺寸與其特征長度，如相干長度ξ或穿透深度λ可比擬的超導(dǎo)體。由于量子效應(yīng)明顯，介觀超導(dǎo)體的性質(zhì)主要受其邊界條件，如形狀，尺寸和外部環(huán)境等條件的影響，使它表現(xiàn)出許多不同于大塊超導(dǎo)體的行為。特別是介觀超導(dǎo)環(huán)極強(qiáng)的量子相干性和細(xì)小的“身材”，可能成為今

2、后量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算單元。這促使我們研究并弄清單個(gè)介觀環(huán)的行為。
　　 以往，人們總是用薄環(huán)這樣的二維模型近似模擬實(shí)際的介觀環(huán)。該近似忽略了物理量沿z方向的分布(通常為外磁場(chǎng)方向)，也忽略了樣品邊界與磁力線的夾角間的相互作用，不能準(zhǔn)確反映三維樣品的實(shí)質(zhì)。
　　 基于此，本論文的主要工作是在三維條件下，運(yùn)用Ginzburg-Landau(GL)理論，通過松弛迭代法數(shù)值求解GL方程組，研究三維介觀超導(dǎo)環(huán)的渦旋態(tài)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。本論

3、文包括以下內(nèi)容：
　　 首先，我們研究庫伯對(duì)密度|Ψ|2呈軸對(duì)稱分布的巨渦旋態(tài)。在環(huán)身半徑r＜2ξ的小環(huán)中，只能存在巨渦旋態(tài)。通過調(diào)整GL參數(shù)k，我們模擬了不同材料的行為。在對(duì)不同尺寸下巨渦旋態(tài)的自由能F、庫伯對(duì)密度|Ψ|2、序參量相位、超流密度(?)以及磁場(chǎng)(?)等物理量的分析后，發(fā)現(xiàn)其渦旋特性按尺寸可以分為三塊：細(xì)環(huán)時(shí)的準(zhǔn)一維特征，如Little-Parks震蕩、順磁、抗磁效應(yīng)和間隙性超導(dǎo)等；粗環(huán)時(shí)接近塊材行為的三維特征，如

4、渦旋結(jié)構(gòu)被完整建立等；以及介于兩者之間的一般的環(huán)的特征。同時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)固定環(huán)身半徑Ri，只改變環(huán)孔r時(shí)，臨界場(chǎng)會(huì)隨渦旋的進(jìn)入而周期震蕩這一量子效應(yīng)。
　　 其次，我們研究了間隙性超導(dǎo)現(xiàn)象。首先研究了它與環(huán)尺寸間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)它只出現(xiàn)在環(huán)身半徑r＜0.5ξ的小環(huán)。用r→0的理想極限環(huán)模型，可以很好地模擬極限情況下的間隙性超導(dǎo)。關(guān)于自由能F和電流j的分析，可以發(fā)現(xiàn)間隙性超導(dǎo)是Little-Parks震蕩在極小極細(xì)環(huán)時(shí)的極限情況。這是量子效

5、應(yīng)增強(qiáng)，破壞超導(dǎo)宏觀位相相干的一種表現(xiàn)。
　　 最后，我們討論了大環(huán)中的多渦旋態(tài)，即系統(tǒng)對(duì)稱性破缺后多個(gè)單渦旋在環(huán)身內(nèi)有序排列的狀態(tài)。這里我們選擇了GL參數(shù)k較大的第二類超導(dǎo)體。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增大對(duì)環(huán)的外磁場(chǎng)時(shí)，系統(tǒng)基態(tài)總是先處于巨渦旋態(tài)，然后進(jìn)入多渦旋態(tài)，最后再在失超前回到巨渦旋態(tài)。通過觀察不同磁場(chǎng)下基態(tài)的庫伯對(duì)密度|Ψ|2和序參數(shù)相位，發(fā)現(xiàn)對(duì)于我們的樣品，渦旋總是由孔內(nèi)向環(huán)身擴(kuò)散。在磁場(chǎng)較小時(shí)，基態(tài)的渦旋線由于靠近中孔，受到邊