Теория Гинзбурга-Ландау и вихри

Теория Гинзбурга-Ландау описывает сверхпроводимость посредством комплексного параметра порядка, а отношение двух её характеристических длин делит сверхпроводники на сверхпроводники I рода и технологически важные сверхпроводники II рода, допускающие вихри квантованного магнитного потока.

Definition

Теория Гинзбурга-Ландау описывает сверхпроводящее состояние с помощью комплексного параметра порядка, величина которого измеряет локальную плотность конденсата; отношение глубины проникновения магнитного поля к длине когерентности, параметр Гинзбурга-Ландау, отличает сверхпроводники I рода от сверхпроводников II рода, которые позволяют магнитному потоку проникать в виде квантованных вихрей.

Scope

Эта тема охватывает феноменологическую теорию Гинзбурга-Ландау: комплексный параметр порядка и разложение свободной энергии, длину когерентности и глубину проникновения, а также параметр Гинзбурга-Ландау, который классифицирует сверхпроводники как сверхпроводники I или II рода. В ней рассматривается смешанное состояние сверхпроводников II рода, квантованная линия магнитного потока (вихрь Абрикосова) и её решётка, нижнее и верхнее критические поля, а также пиннинг магнитного потока. Она связывает электромагнитную теорию Лондонов и микроскопическую теорию БКШ.

Core questions

• Что представляет собой параметр порядка Гинзбурга-Ландау и как из него строится свободная энергия?
• Как длина когерентности и глубина проникновения определяют параметр Гинзбурга-Ландау?
• Что отличает сверхпроводники I рода от сверхпроводников II рода?
• Что такое вихрь Абрикосова и почему магнитный поток проникает в сверхпроводники II рода в виде квантованных линий?

Key concepts

• Комплексный параметр порядка и разложение свободной энергии
• Длина когерентности и глубина проникновения
• Параметр Гинзбурга-Ландау
• Сверхпроводники I рода против сверхпроводников II рода
• Решётка вихрей Абрикосова и пиннинг магнитного потока

Key theories

Теория параметра порядка Гинзбурга-Ландау

Гинзбург и Ландау разложили свободную энергию по комплексному параметру порядка и его градиентам, описывая пространственные вариации конденсата, поверхностные энергии и критические поля, причём позднее Горьков показал, что параметр порядка следует из теории БКШ.

Вихревое состояние Абрикосова

Абрикосов предсказал, что сверхпроводники II рода допускают магнитное поле в виде решётки квантованных вихрей магнитного потока, каждый из которых несёт один квант магнитного потока с нормальным ядром, что позволяет сверхпроводимости сохраняться при очень высоких полях, что является основой практических сверхпроводящих магнитов.

Clinical relevance

Сверхпроводники II рода и физика пиннинга вихрей делают возможными сильнопольные сверхпроводящие магниты, что позволяет использовать МРТ, ЯМР-спектрометры, ускорители частиц и термоядерные установки; управление движением вихрей необходимо для переноса больших сверхтоков без диссипации.

History

Гинзбург и Ландау предложили свою теорию параметра порядка в 1950 году; Абрикосов использовал её в 1957 году для предсказания вихревой решётки сверхпроводников II рода, а Горьков вскоре вывел теорию из БКШ, работа, отмеченная Нобелевской премией 2003 года Гинзбургу и Абрикосову.

Key figures

• Vitaly Ginzburg
• Lev Landau
• Alexei Abrikosov

Seminal works

• abrikosov1957
• tinkham2004

Frequently asked questions

В чём разница между сверхпроводниками I рода и сверхпроводниками II рода?

Сверхпроводники I рода полностью выталкивают магнитное поле до тех пор, пока они резко не теряют сверхпроводимость при одном критическом поле; сверхпроводники II рода вместо этого позволяют полю проникать в виде квантованных вихрей в диапазоне полей, оставаясь сверхпроводящими до гораздо более высокого верхнего критического поля.

Почему магнитный поток должен проникать в виде квантованных вихрей?

Параметр порядка сверхпроводника является однозначной комплексной функцией, поэтому его фаза должна изменяться на величину, кратную двум пи, вокруг любой линии магнитного потока; это ограничение заставляет заключённый поток приходить в дискретных квантах, каждый из которых образует один вихрь Абрикосова.