Superconductor tipo 1,5

Superconductores multicomponentes caracterizados por dos o más longitudes de coherencia

Los superconductores de tipo 1.5 son superconductores multicomponentes que se caracterizan por dos o más longitudes de coherencia , al menos una de las cuales es más corta que la longitud de penetración del campo magnético y al menos una de las cuales es más larga. Esto contrasta con los superconductores de un solo componente, donde solo hay una longitud de coherencia y el superconductor es necesariamente de tipo 1 ( ) o tipo 2 ( ) (a menudo, una longitud de coherencia se define con un factor adicional; con tal definición, las desigualdades correspondientes son y ). Cuando se colocan en un campo magnético, los superconductores de tipo 1.5 deberían formar vórtices cuánticos : excitaciones portadoras de flujo magnético. Permiten que el campo magnético pase a través de los superconductores debido a una circulación similar a un vórtice de partículas superconductoras (pares electrónicos). En los superconductores de tipo 1.5, estos vórtices tienen una interacción atractiva de largo alcance y repulsiva de corto alcance. Como consecuencia, un superconductor de tipo 1,5 en un campo magnético puede formar una separación de fases en dominios con campo magnético expulsado y grupos de vórtices cuánticos que están unidos entre sí por fuerzas de atracción entre vórtices. Los dominios del estado de Meissner conservan la superconductividad de dos componentes, mientras que en los grupos de vórtices se suprime uno de los componentes superconductores. Por tanto, estos materiales deberían permitir la coexistencia de varias propiedades de los superconductores de tipo I y tipo II. ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \xi }$ ${\displaystyle \xi >\lambda }$ ${\displaystyle \xi <\lambda }$ ${\displaystyle 2^{1/2}}$ ${\displaystyle \xi >{\sqrt {2}}\lambda }$ ${\displaystyle \xi <{\sqrt {2}}\lambda }$

Descripción

Los superconductores de tipo I expulsan completamente los campos magnéticos externos si la intensidad del campo aplicado es suficientemente baja. Además, la supercorriente puede fluir solo en la superficie de un superconductor de este tipo, pero no en su interior. Este estado se denomina estado de Meissner . Sin embargo, con un campo magnético elevado, cuando la energía del campo magnético se vuelve comparable a la energía de condensación superconductora, la superconductividad se destruye por la formación de inclusiones macroscópicamente grandes de fase no superconductora.

Los superconductores de tipo II , además del estado de Meissner , poseen otro estado: un campo magnético aplicado suficientemente fuerte puede producir corrientes en el interior del superconductor debido a la formación de vórtices cuánticos . Los vórtices también llevan flujo magnético a través del interior del superconductor. Estos vórtices cuánticos se repelen entre sí y, por lo tanto, tienden a formar redes de vórtices uniformes o líquidos. ^[1] Formalmente, las soluciones de vórtices también existen en modelos de superconductividad de tipo I, pero la interacción entre vórtices es puramente atractiva, por lo que un sistema de muchos vórtices es inestable frente a un colapso en un estado de un solo dominio normal gigante con supercorriente fluyendo en su superficie. Más importante aún, los vórtices en un superconductor de tipo I son energéticamente desfavorables. Para producirlos se requeriría la aplicación de un campo magnético más fuerte que el que puede soportar un condensado superconductor. Por lo tanto, un superconductor de tipo I pasa a estados no superconductores en lugar de formar vórtices. En la teoría habitual de Ginzburg-Landau , sólo los vórtices cuánticos con interacción puramente repulsiva son energéticamente lo suficientemente baratos como para ser inducidos por un campo magnético aplicado.

Se propuso ^[2] que la dicotomía tipo I/tipo II podría romperse en superconductores multicomponentes, que poseen múltiples longitudes de coherencia.

Ejemplos de superconductividad multicomponente son los superconductores multibanda, como el diboruro de magnesio y las oxipnictidas , y los superconductores exóticos con apareamiento de Cooper no trivial. En estos casos, se pueden distinguir dos o más componentes superconductores asociados, por ejemplo, con electrones que pertenecen a diferentes bandas ( estructura de bandas) . Un ejemplo diferente de sistemas de dos componentes son los estados superconductores proyectados de hidrógeno metálico líquido o deuterio, en los que se predijeron teóricamente mezclas de electrones superconductores y protones o deuterones superconductores.

También se señaló que los sistemas que tienen transiciones de fase entre diferentes estados superconductores, como entre y o entre y, deberían caer de manera más bien genérica en el estado tipo 1.5 cerca de esa transición debido a la divergencia de una de las longitudes de coherencia. ${\displaystyle s}$ ${\displaystyle s+is}$ ${\displaystyle U(1)}$ ${\displaystyle U(1)\times U(1)}$

En mezclas de condensados ​​conservados independientemente

Para los superconductores multicomponentes con la denominada simetría U(1)xU(1), el modelo de Ginzburg-Landau es una suma de dos modelos de Ginzburg-Landau de un solo componente que están acoplados por un potencial vectorial  : ${\displaystyle A}$

${\displaystyle F=\sum _{i,j=1,2}{\frac {1}{2m}}|(\nabla -ieA)\psi _{i}|^{2}+\alpha _{i}|\psi _{i}|^{2}+\beta _{i}|\psi _{i}|^{4}+{\frac {1}{2}}(\nabla \times A)^{2}}$

donde son dos condensados ​​superconductores. En caso de que los condensados ​​estén acoplados solo electromagnéticamente, es decir, por el modelo tiene tres escalas de longitud: la longitud de penetración de London y dos longitudes de coherencia . Las excitaciones del vórtice en ese caso tienen núcleos en ambos componentes que están cocentrados debido al acoplamiento electromagnético mediado por el campo . La condición necesaria pero no suficiente para la ocurrencia del régimen de tipo 1.5 es . ^[2] La condición adicional de estabilidad termodinámica se satisface para un rango de parámetros. Estos vórtices tienen una interacción no monótona: se atraen entre sí a grandes distancias y se repelen entre sí a distancias cortas. ^{[2] [3] [4]} Se demostró que hay un rango de parámetros donde estos vórtices son energéticamente lo suficientemente favorables para ser excitables por un campo externo, a pesar de la interacción atractiva. Esto da como resultado la formación de una fase superconductora especial en campos magnéticos bajos denominada estado "Semi-Meissner". ^[2] Los vórtices, cuya densidad está controlada por la densidad de flujo magnético aplicado, no forman una estructura regular. En cambio, deberían tener una tendencia a formar "gotitas" de vórtice debido a la interacción atractiva de largo alcance causada por la supresión de la densidad de condensado en el área alrededor del vórtice. Tales cúmulos de vórtices deberían coexistir con las áreas de dominios Meissner de dos componentes sin vórtices. Dentro de tales cúmulos de vórtices, el componente con mayor longitud de coherencia se suprime: de modo que ese componente tiene una corriente apreciable solo en el límite del cúmulo. ${\displaystyle \psi _{i}=|\psi _{i}|e^{i\phi _{i}},i=1,2}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \lambda ={\frac {1}{e{\sqrt {|\psi _{1}|^{2}+|\psi _{2}|^{2}}}}}}$ ${\displaystyle \xi _{1}={\frac {1}{\sqrt {2\alpha _{1}}}},\xi _{2}={\frac {1}{\sqrt {2\alpha _{2}}}}}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \xi _{1}>\lambda >\xi _{2}}$

En sistemas multibanda

En un superconductor de dos bandas, los electrones de las diferentes bandas no se conservan de forma independiente, por lo que la definición de dos componentes superconductores es diferente. Un superconductor de dos bandas se describe mediante el siguiente modelo de Ginzburg-Landau. ^[5]

${\displaystyle F=\sum _{i,j=1,2}{\frac {1}{2m}}|(\nabla -ieA)\psi _{i}|^{2}+\alpha _{i}|\psi _{i}|^{2}+\beta _{i}|\psi _{i}|^{4}-\eta (\psi _{1}\psi _{2}^{*}+\psi _{1}^{*}\psi _{2})+\gamma [(\nabla -ieA)\psi _{1}\cdot (\nabla +ieA)\psi _{2}^{*}+(\nabla +ieA)\psi _{1}^{*}\cdot (\nabla -ieA)\psi _{2}]+\nu |\psi _{1}|^{2}|\psi _{2}|^{2}+{\frac {1}{2}}(\nabla \times A)^{2}}$

donde nuevamente son dos condensados ​​superconductores. En los superconductores multibanda de manera bastante genérica , cuando las tres escalas de longitud del problema son nuevamente la longitud de penetración de London y dos longitudes de coherencia. Sin embargo, en este caso las longitudes de coherencia están asociadas con combinaciones "mixtas" de campos de densidad. ^{[3] [4] [6]} ${\displaystyle \psi _{i}=|\psi _{i}|e^{i\phi _{i}},i=1,2}$ ${\displaystyle \eta \neq 0,\gamma \neq 0}$ ${\displaystyle \eta \neq 0,\gamma \neq 0,\nu \neq 0}$ ${\displaystyle {\tilde {\xi }}_{1}(\alpha _{1},\beta _{1},\alpha _{2},\beta _{2},\eta ,\gamma ,\nu ),{\tilde {\xi }}_{2}(\alpha _{1},\beta _{1},\alpha _{2},\beta _{2},\eta ,\gamma ,\nu )}$

Modelos microscópicos

Se ha informado de una teoría microscópica de superconductividad tipo 1,5. ^[4]

Investigación experimental actual

En 2009, se informaron resultados experimentales ^{[7] [8] [9]} que afirmaban que el diboruro de magnesio podría caer en esta nueva clase de superconductividad. El término superconductor de tipo 1,5 se acuñó para este estado. Se informaron más datos experimentales que respaldan esta conclusión en ^[10] . Trabajos teóricos más recientes muestran que el tipo 1,5 puede ser un fenómeno más general porque no requiere un material con dos bandas verdaderamente superconductoras, sino que también puede ocurrir como resultado de un efecto de proximidad entre bandas incluso muy pequeño ^[6] y es robusto en presencia de varios acoplamientos entre bandas, como el acoplamiento Josephson entre bandas. ^{[3] [11]} En 2014, un estudio experimental sugirió que Sr2RuO4 es un superconductor de tipo 1,5. ^[12]

Explicación no técnica

Los superconductores de tipo I y tipo II presentan patrones de flujo de carga radicalmente diferentes. Los superconductores de tipo I tienen dos propiedades que definen el estado: la falta de resistencia eléctrica y el hecho de que no permiten que un campo magnético externo pase a través de ellos. Cuando se aplica un campo magnético a estos materiales, los electrones superconductores producen una fuerte corriente en la superficie, que a su vez produce un campo magnético en la dirección opuesta para cancelar el campo magnético interior, de manera similar a cómo los conductores típicos cancelan los campos eléctricos interiores con distribuciones de carga superficial . Un campo magnético aplicado externamente de una fuerza suficientemente baja se cancela en el interior de un superconductor de tipo I por el campo producido por la corriente superficial. Sin embargo, en los materiales superconductores de tipo II, se puede formar un flujo complicado de electrones superconductores en lo profundo del interior del material. En un material de tipo II, los campos magnéticos pueden penetrar en el interior, transportados por vórtices que forman una red de vórtices de Abrikosov.

En los superconductores de tipo 1.5, hay al menos dos componentes superconductores. En estos materiales, el campo magnético externo puede producir cúmulos de gotitas de vórtice muy compactas, ya que en estos materiales los vórtices deberían atraerse entre sí a grandes distancias y repelerse a escalas de longitud cortas. Dado que la atracción se origina en las superposiciones del núcleo del vórtice en uno de los componentes superconductores, este componente se agotará en el cúmulo de vórtices. Por lo tanto, un cúmulo de vórtices representará dos tipos de superflujo en competencia. Un componente formará vórtices agrupados, mientras que el segundo componente producirá una supercorriente que fluirá en la superficie de los cúmulos de vórtices de una manera similar a cómo fluyen los electrones en el exterior de los superconductores de tipo I. Estos cúmulos de vórtices están separados por "vacíos", sin vórtices, sin corrientes y sin campo magnético. ^[13]

Animaciones

Películas de simulaciones numéricas del estado Semi-Meissner donde los dominios Meissner coexisten con grupos donde se forman gotitas de vórtice en un componente superconductor y dominios normales macroscópicos en el otro. ^[14]

Referencias

1. Alexei A. Abrikosov (8 de diciembre de 2003). «Superconductores de tipo II y la red de vórtices» (PDF) . Conferencia Nobel . Archivado desde el original (PDF) el 10 de agosto de 2017.
2. Egor Babaev y Martin J. Speight (2005). "Estado semi-Meissner y ni superconductividad de tipo I ni de tipo II en superconductores multicomponentes". Physical Review B . 72 (18): 180502. arXiv : cond-mat/0411681 . Código Bibliográfico :2005PhRvB..72r0502B. doi :10.1103/PhysRevB.72.180502.
3. Johan Carlstrom; Egor Babaev; Martin Speight (2011). "Superconductividad de tipo 1,5 en sistemas multibanda: los efectos de los acoplamientos entre bandas". Physical Review B . 83 (17): 174509. arXiv : 1009.2196 . Código Bibliográfico :2011PhRvB..83q4509C. doi :10.1103/PhysRevB.83.174509. S2CID  55328941.
4. Mihail Silaev; Egor Babaev (2011). "Teoría microscópica de la superconductividad de tipo 1,5 en sistemas multibanda". Phys. Rev. B . 84 (9): 094515. arXiv : 1102.5734 . Código Bibliográfico :2011PhRvB..84i4515S. doi :10.1103/PhysRevB.84.094515. S2CID  39470430.
5. A. Gurevich (2007). "Simits del campo crítico superior en superconductores sucios de dos huecos". Physica C . 456 (1–2): 160. arXiv : cond-mat/0701281 . Código Bibliográfico :2007PhyC..456..160G. doi :10.1016/j.physc.2007.01.008. S2CID  31265536.
6. Babaev, Egor; Carlström, Johan; Speight, Martin (2010). "Estado superconductor de tipo 1.5 a partir de un efecto de proximidad intrínseco en superconductores de dos bandas". Physical Review Letters . 105 (6): 067003. arXiv : 0910.1607 . Código Bibliográfico :2010PhRvL.105f7003B. doi :10.1103/PhysRevLett.105.067003. PMID  20868000. S2CID  10153868.
7. VV Moshchalkov; M. Menghini; T. Nishio; QH Chen; AV Silhanek; VH Dao; LF Chibotaru; ND Zhigadlo; J. Karpinsky (2009). "Superconductores tipo 1,5" (PDF) . Physical Review Letters . 102 (11): 117001. arXiv : 0902.0997 . Código Bibliográfico :2009PhRvL.102k7001M. doi :10.1103/PhysRevLett.102.117001. PMID  19392228. S2CID  10831135.
8. Cho, Adrian (13 de marzo de 2009). "Se ha descubierto un nuevo tipo de superconductividad". ScienceNOW . Archivado desde el original el 15 de marzo de 2009.
9. "El superconductor tipo 1,5 muestra sus rayas". Physics World . 17 de febrero de 2009. Archivado desde el original el 31 de diciembre de 2009.
10. Taichiro Nishio; Vu Hung Dao; Qinghua Chen; Liviu F. Chibotaru; Kazuo Kadowaki; Victor V. Moshchalkov (2010). "Microscopía SQUID de barrido de cúmulos de vórtices en superconductores multibanda". Physical Review B . 81 (2): 020506. arXiv : 1001.2199 . Código Bibliográfico :2010PhRvB..81b0506N. doi :10.1103/PhysRevB.81.020506. S2CID  118449097.
11. Dao; Chibotaru; Nishio; Moshchalkov (2010). "Vórtices gigantes, anillos de vórtices y comportamiento reentrante en superconductores de tipo 1.5". Physical Review B . 83 (2): 020503. arXiv : 1007.1849 . Código Bibliográfico :2011PhRvB..83b0503D. doi :10.1103/PhysRevB.83.020503. S2CID  118441576.
12. Ray, SJ; et al. (2014). "Medidas de rotación de espín de muones del estado de vórtice en Sr2RuO4: superconductividad de tipo 1.5, agrupamiento de vórtices y un cruce de una red de vórtices triangular a una red de vórtices cuadrada". Physical Review B . 89 (9): 094504. arXiv : 1403.1767 . Bibcode :2014PhRvB..89i4504R. doi :10.1103/PhysRevB.89.094504. S2CID  54646251.
13. Universidad de Massachusetts Amherst (24 de octubre de 2011). "Los físicos revelan una teoría para un nuevo tipo de superconductividad". Phys.org .
14. Johan Carlström, Julien Garaud y Egor Babaev Fuerzas de interacción no pareadas en un grupo de vórtices en superconductores multicomponentes arXiv:1101.4599, Material complementario

Enlaces externos

Las animaciones de los cálculos numéricos de la formación de cúmulos de vórtices están disponibles en "Simulaciones numéricas de la formación de cúmulos de vórtices en superconductores tipo 1.5".