在超导体中的涡漩物质.doc

在超導體中的渦漩物質---一個理想介觀凝態物理實驗室 李定平1、儒森斯坦2 1南京大學物理系 2國家理論科學中心 3國立交通大學電子物理系 E-mail: baruch@vortex1.ep.nctu.edu.tw 引言 在1911年Kamerling-Onnes在世界上第一個低溫實驗室裡把金屬的溫度能夠降到很低.他們發現在4.2度汞的電阻突然消失了.新的物態﹐超導態就這樣被發現了.超導體的異乎尋常磁性特性在1933年被Meissner和Ochsenfeld發現了﹕超導體完全排斥磁通量(理想抗磁物質,perfect diamagnet).我們現在叫這種完全排斥磁通量的超導體為第一類超導體(type I superconductor).在1957年Abrikosov用Ginzburg-Landau理論預測了另類有不同的磁性特性的超導體的存在﹕現在稱為第二類超導(type II superconductor).在超導時磁通量可穿透這種超導體.雖然它不是理想抗磁物質﹐這種材料的磁性和其他物體的磁性也不同﹕在穿透第二類超導時磁通量的均勻分佈部變成非均勻﹐離散的分佈﹐看圖一[1]. 圖一 因此在這種超導體裡磁通被量子化.這些量子化的磁通稱為Abrikosov渦漩磁通.在1960年Essman和Tauble用極細的鐵磁顆粒decoration的方法觀測到這些渦漩磁通.渦漩磁通相互排斥﹐因此它們的排列成六角形的格子看目前的掃瞄隧道放大器(STM)圖二[2]. 圖二 大多數超導體應用(如超導磁鐵﹐SQUID)採用第二類超導體﹐如Nb合金.第二類超導體的研究和應用的重要性遠遠超過第一類超導.在磁場中的第二類超導體裡渦漩磁通的動力學是最重要和熱門的研究領域.在1986年超導物理經過一個新革命. Muller和Bednorz發現了鈣鈦礦結構“高溫超導體”LaBaCuO.科學家花了六十多年的時間把低溫超導體的臨界溫度 (critical temperature Tc)提高到二十度左右﹐但令人震驚的在一年以內鈣鈦礦結構超導體的臨界溫度從三十度提高到一百度左右.最廣泛研究和應用的材料是YBaCuO (M.K. Wu et al, 1987, Tc=93K)和BiSrCaCuO (116K).鈣鈦礦結構超導體都是強二類超導.因為溫度相當高熱漲落(thermal fluctuations)的作用越來越重要.因此我們必須採用統計物理方法來研究在高溫超導體裡的渦漩磁通物理.新的現像如渦漩磁通格子的融化被觀察到[3,4,5].在高溫超導渦漩物質是很好控制的物態﹕密度﹐溫度﹐缺陷(disorder)都很容易控制.在十多年很密集研究之後,目前渦漩物質物理已經得到充份的研究.在此文章我們要簡單的綜述在渦漩物理中重要的概念以及理論方法. 超導序參量和Ginzburg-Landau理論 在1957年Bardeen,Schrieffer和Cooper (BCS)建立了微觀的低溫超導理論.可是對介觀物理(如渦漩物理)基本上沒有辦法應用.我們需要一個唯象的有效理論.而且高溫超導大家接受的微觀理論還沒有出現.幸運的是Ginzburg-Landau在1950年已經提出了這種唯象的理論.此理論基於Landau的一般相變理論的概念﹕序參量.在超導理論序參量是一個復的場(complex field).它的大小代表超導電子密度而它的相位代表超導體的相干特性(coherence).用這種序參量他們構造出系統的自由能.從這個自由能極小化我們得到著名的Ginzburg-Landau方程.在方程中有兩個相關的長度,穿透深度(magnetic penetration depth) ,描述磁場的改變尺度﹐及相干長度(coherence length) .這兩個長度的比率是超導材料的最重要參數. 在二類超導體加磁場, 磁場較小時﹐超導體完全排斥磁通量(Meissner態). 當磁場大於某臨界磁場﹐Abrikosov渦漩磁通開始穿透超導體(圖三是單個渦漩磁通的圖像) . 圖三 渦漩磁通有兩個不同的區域：小的核心和比較大的有磁場通過的周邊區域.相干長度決定核心的大小,而穿透深度決定周邊區域的大小.在核心的中心,序參量消失.它的大小逐漸增加,在核心表面增加到它的超導態裏面的值,在核心外面此大小不變.可是序參量的相位在不同角度不一樣：如果我們繞核心一圈,相位角增加,跟在通常的水中的漩渦類似.在數學裏這種解叫做拓撲孤子(topological soliton).磁場強度的分配比較寬廣：中心的磁場最大,然後慢慢的減小.在距離中心 時,差不多消失.超導電流(supercurrent) 也是集中在此區域環繞核心流動. 渦漩磁通格子 當磁場繼續增加渦漩之間的距離變小,