第二类超导体涡族系统若干相变的研究

摘要

本文主要利用弹性理论、数值模拟和短时动力学标度分析等方法对第二类超导体涡旋系统的平衡态相变和非平衡态相变作了研究。当磁场平行于超导体的ab面时，我们引入与系统相关的局域和非局域性的弹性模量以及处理各向异性系统的标度方法，利用弹性理论计算了平行ab面和平行c轴的热涨落，并根据Lindemann判据讨论了涡旋系统的融化相变以及层状钉扎势对融化相变的影响。当磁场平行于c轴时，我们借助三维各向异性XY模型，运用电阻分流节(RSJ)动力学方法研究了第二类层状超导体涡旋在强点状钉扎势环境中的动力学相随外界电流的变化，讨论了钉扎势对动力学相变的影响。利用同样的模型和方法，我们计算了当磁场平行于ab面时系统电压对电流的响应，研究系统电阻与Lorentz力无关和有关现象的物理机制，并从Josephson涡旋(JV)和pancake涡旋(PV)运动的微观细节方面作了详细地分析。我们还借助于二维完全阻挫XY模型(FFXY)，运用与时间相关的Ginzburg-Landau(TDGL)动力学研究了二维完全阻挫Josephson结阵列的短时动力学行为，计算了Ising型相变的临界温度Tc，静态临界指数β、v动态临界指数z，并与RSJ动力学的计算结果进行比较。最后，我们首次运用短时动力学标度分析方法研究了正方点阵完全阻挫Josephson结阵列的非平衡态相变问题，计算了Ising型相变的临界温度Tc，静态临界指数β、v和动态临界指数z随驱动电流的变化。
　　 通过以上研究，我们得到以下一些主要结论：
　　 (1)当磁场平行于超导体的ab面时，为了能在弹性理论框架下讨论涡旋系统的融化相变，除了各向异性参数γ外，还需要引入一个新参数。这个参数能使平行ab面和平行c轴取不同的Lindemann数时，涡旋系统在两个方向同时融化。这个新参数和各向异性参数一起将各向异性第二类超导体的融化问题转变成各向同性。我们得到了与YBCO实验曲线相吻合的融化曲线。
　　 (2)当磁场平行于c轴时，在强点状钉扎势环境中平衡态的涡旋相是涡旋玻璃相。随驱动电流的增加，静态的涡旋玻璃相转变成运动的涡旋玻璃相，然后发生动力学相变为运动的Bragg玻璃相。随驱动电流的进一步增加，Bragg相发生动力学融化，转变成Smectic相，然后再转变成涡旋液体相。类似于平衡态下Bragg相随着无序强度的增加而转变成涡旋玻璃相或者液体相，运动的Bragg相也会随无序的增加转变成运动的Smectic相。
　　 (3)通过对三维各向异性XY模型的动力学数值模拟，当磁场垂直于对称轴时，我们首次在动力学数值模拟中重复了实验现象：对于强各向异性超导体，发现了与Lorentz力无关的输运特性和幂指数形式的电流-电压(IV)曲线；而对于弱各向异性超导体，在低温下观察到与Lorentz力有关的输运特性，然而在高温下却出现了与Lorentz力无关的输运特性。结果表明当系统的层间退耦合时，系统可以看成准二维的体系，出现与Lorentz力无关的耗散现象，低温时系统的，I-V曲线具有幂指数形式，V∝Iα(T)。指数α(T)在临界温度点发生从3到1的跳变，表明系统出现了Kosterlitz-Thouless(KT)类型的相变；而当系统处于三维固体相时，出现与Lorentz力有关的现象。此外我们还从JV和PV运动的微观细节角度合理地解释了这些实验现象。
　　 (4)短时动力学标度方法对二维完全阻挫Josephson结阵列的平衡态特性研究表明二维完全阻挫Josephson结阵列的Ising型相变由于受到KT相变的影响，与纯Ising模型的Ising相变不属于同一普适类，临界指数v＜1。Ising型相变的临界温度Tc，静态临界指数v和动态临界指数z与RSJ动力学的计算结果一致，但TDGL的静态临界指数β比RSJ的小，表明TDGL动力学磁化强度的演化要比RSJ的慢。
　　 (5)我们发现短时动力学标度分析方法可以应用到非平衡态相变问题，二维FFXY模型的非平衡态相变的临界温度Tc随驱动电流的增加而降低，与平衡态的模拟结果相近。利用短时动力学标度方法，我们还给出了其相变的临界指数。我们发现动力学临界指数z随着外界电流的增加而增大，表明大电流下系统的演化减慢。而静态临界指数v几乎与外界电流无关，表明外界电流不会改变系统的普适类。