三維介觀超導環(huán)渦旋態(tài)相變研究.pdf

1、納米技術的高速發(fā)展使人們能夠在實驗上制備各種形狀的介觀超導體，同時也增加了科學家研究它們的興趣。因為它不僅能增加我們對超導物理的理解，還能推動超導電子學技術的發(fā)展。
　　 介觀超導體是指其尺寸與其特征長度，如相干長度ξ或穿透深度λ可比擬的超導體。由于量子效應明顯，介觀超導體的性質(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體的行為。特別是介觀超導環(huán)極強的量子相干性和細小的“身材”，可能成為今

2、后量子計算機的計算單元。這促使我們研究并弄清單個介觀環(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，不能準確反映三維樣品的實質(zhì)。
　　 基于此，本論文的主要工作是在三維條件下，運用Ginzburg-Landau(GL)理論，通過松弛迭代法數(shù)值求解GL方程組，研究三維介觀超導環(huán)的渦旋態(tài)結構和性質(zhì)。本論

3、文包括以下內(nèi)容：
　　 首先，我們研究庫伯對密度|Ψ|2呈軸對稱分布的巨渦旋態(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。在對不同尺寸下巨渦旋態(tài)的自由能F、庫伯對密度|Ψ|2、序參量相位、超流密度(?)以及磁場(?)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：細環(huán)時的準一維特征，如Little-Parks震蕩、順磁、抗磁效應和間隙性超導等；粗環(huán)時接近塊材行為的三維特征，如

4、渦旋結構被完整建立等；以及介于兩者之間的一般的環(huán)的特征。同時發(fā)現(xiàn)當固定環(huán)身半徑Ri，只改變環(huán)孔r時，臨界場會隨渦旋的進入而周期震蕩這一量子效應。
　　 其次，我們研究了間隙性超導現(xiàn)象。首先研究了它與環(huán)尺寸間的關系，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。關于自由能F和電流j的分析，可以發(fā)現(xiàn)間隙性超導是Little-Parks震蕩在極小極細環(huán)時的極限情況。這是量子效

5、應增強，破壞超導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)對稱性破缺后多個單渦旋在環(huán)身內(nèi)有序排列的狀態(tài)。這里我們選擇了GL參數(shù)k較大的第二類超導體。我們發(fā)現(xiàn)，當增大對環(huán)的外磁場時，系統(tǒng)基態(tài)總是先處于巨渦旋態(tài)，然后進入多渦旋態(tài)，最后再在失超前回到巨渦旋態(tài)。通過觀察不同磁場下基態(tài)的庫伯對密度|Ψ|2和序參數(shù)相位，發(fā)現(xiàn)對于我們的樣品，渦旋總是由孔內(nèi)向環(huán)身擴散。在磁場較小時，基態(tài)的渦旋線由于靠近中孔，受到邊