超导涡旋电荷及磁通涡旋态相变研究

论文摘要

二十世纪九十年代以来，随着纳米技术的发展，介观超导涡旋动力学逐渐成为一个新兴的研究领域。介观超导体是指它的几何尺寸与体系的物理特征尺度如相干长度ξ或穿透深度λ相当。与宏观超导体相比，介观样品有很强的边界效应，它们的涡旋态在很大程度上会受到样品的尺寸和形状的影响。另外，多年来人们对高温超导体中涡旋结构性质的研究一直抱有很大的兴趣。既然高温超导体的母体化合物是反铁磁Mott绝缘体，所以考虑到自旋磁性与超导电性的相互竞争，新奇的涡旋态性质倍受期待。本论文运用Bogoliubov-de Gennes理论和唯象Ginzburg-Landau理论，分别研究了块状高温超导体以及在de Gennes边界条件（b为波函数表面延展长度）下的薄介观超导环中的涡旋电荷分布及磁通涡旋态相变。论文主要包括以下几方面内容：（1）在具有竞争的反铁磁与d波超导电性相互作用的有效模型哈密顿量中引入次最近邻跃迁项，对Bogoliubov-de Gennes方程进行数值求解来研究次最近邻跃迁对不同掺杂水平的高温超导体中反铁磁性及涡旋电荷分布的影响。我们的数值结果表明对于最佳掺杂的样品（空穴掺杂δ=0．15），当次最近邻跃迁强度（与最近邻跃迁强度之比）从0增长到0．4时，涡旋芯处的反铁磁序大小先被增强后被抑制，同时伴随着涡旋电荷符号可以从正变成负。另外对于欠掺杂样品，即使在反铁磁序保持很强的情况下正涡旋电荷也能够被观察到，这很好的解释了核磁共振实验的结果。最后，我们发现随着次最近邻跃迁强度的变化，涡旋电荷和自旋密度波序的空间结构能够发生二维四重对称与一维条纹之间的转变。（2）应用唯象Ginzburg-Landau理论研究具有表面增强超导电性效应（b<0）的薄介观超导环的涡旋态性质。对于具有不同表面增强超导电性强度的相同超导环以及具有相同表面增强超导电性强度的不同超导环，分别调查了其自由能、库珀对密度、电流密度和H-T相图。另外，在我们所研究的小超导环中出现了稳定多涡旋态。随着内半径的增长，我们发现稳定的（1：L2）和（2：L2）多涡旋态能够成为基态。（3）应用唯象Ginzburg-Landau理论研究具有表面增强超导电性效应的薄介观超导环中不同涡旋态之间的超导相变。对于小尺寸环，随着表面增强超导电性强度的增大，发现了具有△L>1（L是涡旋态的涡量）的不同巨涡旋态之间以及巨涡旋态和多涡旋态之间的转变。通过H-|ξ／b|、H-Ri和H-T相图分别研究了表面增强超导电性效应、内半径以及温度对超导相变的影响。继续增加表面增强超导电性强度，发现不同内半径的环中出现了具有相同涡量的重进入（reentrant）转变以及具有△L>1的不同稳定多涡旋态之间的转变。最后，我们研究了相对大尺寸的超导环的涡旋结构，发现由于表面增强超导电性效应的作用，具有两个稳定涡旋环（shell）的涡旋态能够成为基态。（4）应用唯象Ginzburg-Landau理论研究具有表面增强超导电性效应的薄介观超导环中涡旋电荷分布。我们发现涡旋电荷分布受到了表面延展长度b、环内外半径以及应用磁场的强烈影响。在Meissner态和巨涡旋态下，除了传统的带电涡旋态电荷分布，还出现了一个新奇的完全负电荷分布。另外，对于具有小内半径的超导环，一类以前仅仅能出现在巨涡旋态的电荷分布也能在Meissner态中找到。最后，我们研究了多涡旋态下的电荷分布情况，给出了不同类别的多涡旋态电荷分布图。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超导电性研究回顾
• 1.2 铜氧化物高温超导体简介
• 1.3 第Ⅰ类和第Ⅱ类超导体
• 1.3.1 块状超导体
• 1.3.2 介观超导体
• 1.4 本论文主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 高温超导体中的涡旋电荷分布和涡旋结构相变
• 2.1 引言
• 2.2 Bogoliubov-de Gennes理论
• 2.2.1 平均场t-t'-U-V Hubbard模型
• 2.2.2 理论方法及推导
• 2.3 涡旋电荷与反铁磁序
• 2.4 条纹相
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 介观超导环的涡旋态性质
• 3.1 引言
• 3.2 Ginzburg-Landau理论
• 3.2.1 研究模型
• 3.2.2 理论方法及推导
• 3.3 Meissner态和巨涡旋态
• 3.3.1 自由能
• 3.3.2 磁化强度
• 3.4 鞍点态
• 3.5 多涡旋态
• 3.6 表面增强超导电性效应
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第四章 介观超导环中的涡旋态相变
• 4.1 引言
• 4.2 理论方法
• 4.3 小尺寸环
• 4.3.1 |ξ/b|=0.02
• 4.3.2 |ξ/b|=0.1
• 4.3.3 |ξ/b|=0.2
• 4.4 大尺寸环
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 介观超导环中的涡旋电荷分布
• 5.1 引言
• 5.2 理论方法
• 5.3 Meissner态
• 5.4 巨涡旋态
• 5.5 多涡旋态
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致谢