金兹堡-朗道理论与涡旋

金兹堡-朗道理论通过一个复数序参量描述超导电性，其两个特征长度之比将超导体分为I型和在技术上至关重要的II型，后者允许出现量子化的磁通涡旋。

Definition

金兹堡-朗道理论通过一个复数序参量描述超导态，其幅值衡量凝聚体的局域密度；磁穿透深度与相干长度之比，即金兹堡-朗道参数，区分了I型超导体和II型超导体，后者允许磁场以量子化涡旋的形式进入。

Scope

本主题涵盖金兹堡-朗道唯象理论：复数序参量和自由能展开、相干长度和穿透深度，以及将超导体分为I型或II型的金兹堡-朗道参数。它讨论了II型超导体的混合态、量子化磁通线（阿布里科索夫涡旋）及其晶格、下临界场和上临界场，以及磁通钉扎。它连接了伦敦电磁理论和BCS微观理论。

Core questions

• 金兹堡-朗道序参量代表什么？自由能是如何由它构建的？
• 相干长度和穿透深度如何定义金兹堡-朗道参数？
• I型超导体和II型超导体有什么区别？
• 什么是阿布里科索夫涡旋？为什么磁通会以量子化线的形式进入II型超导体？

Key concepts

• 复数序参量和自由能展开
• 相干长度和穿透深度
• 金兹堡-朗道参数
• I型与II型超导体
• 阿布里科索夫涡旋晶格和磁通钉扎

Key theories

金兹堡-朗道序参量理论

金兹堡和朗道将自由能展开为复数序参量及其梯度，捕捉了凝聚体的空间变化、表面能和临界场；格尔科夫后来证明该序参量源自BCS理论。

阿布里科索夫涡旋态

阿布里科索夫预测，II型超导体允许磁场以量子化磁通涡旋晶格的形式进入，每个涡旋携带一个磁通量子并具有一个正常态核心，这使得超导性能在非常高的磁场下得以维持，是实用超导磁体的基础。

Clinical relevance

II型超导体和涡旋钉扎的物理学使得高场超导磁体成为可能，从而实现了MRI、核磁共振谱仪、粒子加速器和聚变装置；控制涡旋运动对于无耗散地承载大超电流至关重要。

History

金兹堡和朗道于1950年提出了他们的序参量理论；阿布里科索夫于1957年利用该理论预测了II型超导体的涡旋晶格，格尔科夫很快从BCS理论推导出了该理论，这项工作使金兹堡和阿布里科索夫获得了2003年诺贝尔奖。

Key figures

• Vitaly Ginzburg
• Lev Landau
• Alexei Abrikosov

Seminal works

• abrikosov1957
• tinkham2004

Frequently asked questions

I型和II型超导体有什么区别？

I型超导体完全排斥磁场，直到在单一临界场下突然失去超导性；II型超导体则允许磁场在一定磁场范围内以量子化涡旋的形式穿透，并在远高于I型超导体的上临界场下保持超导性。

为什么磁通必须以量子化涡旋的形式进入？

超导序参量是一个单值复函数，因此其相位必须在任何磁通线周围缠绕2π的整数倍；这一约束迫使所包围的磁通以离散量子的形式出现，每个量子形成一个阿布里科索夫涡旋。