Novel Phenomena in Superconductors and Superfluids: Boundary States, Spiral Magnetic Fields, and Solitons

QC 2023-04-25

Abstract

Denna PhD avhandlingen presenterar en omfattande studie av supraledande och superfluid tillstånd i en mängd olika fysiska system.Forskningen bygger på 12 artiklar som utforskar olika fenomen på djupet.

Ett av avhandlingens betydelsefulla bidrag är upptäckten av gränstillstånd i supraledare.Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teorin beskriver den supraledande övergången som en enda kritisk punkt där gapfunktionen eller ordningsparametern försvinner enhetligt i hela systemet. Men i tidningar $4$ och $8$ har vi visat att i en supraledare som beskrivs av BCS-modellen, är det supraledande gapet förstärkt och kan överleva vid ytor vid högre temperaturer än i bulken. Detta resultat tyder på att konventionella supraledare har flera kritiska punkter associerade med separata fasövergångar vid ytor och bulk. Vi demonstrerar detta genom att hitta inhomogena lösningar av BCS gap-ekvation nära gränser, som asymptotiskt sönderfaller i bulken.Vi reviderar den mikroskopiska härledningen av gränsvillkoren för supraledare-isolator i papper $8$ för Ginzburg-Landau (GL) modellen och erhåller ett negativt bidrag till fri energi i form av ytintegralen. Vi visar att randvillkoren för den konventionella supraledaren har formen $\textbf{n} \cdot \nabla \psi = \text{const} \psi$, vilket följer av att betrakta ordningsparametern som återspeglas i gränsen. Dessutom visar vi att i fallet med ett applicerat externt fält är det tredje kritiska magnetfältsvärdet $H_{c3}$ högre än vad som följer av de Gennes gränsvillkor. För tvåbandssupraledare visar vi i papper $7$ att gränser inducerar variationer av gapen med närvaron av multipla längdskalor.Vi visar i uppsatser $1,\ 3$ och $8$ att spinn-obalanserade supraledare har gränstillstånd med ökat gap och kritisk temperatur nära ytan. Vi generaliserar GL-formalismen för dessa system och visar att en kubisk supraledare på medelfältsnivå har en sekvens av fasövergångar. Dessa övergångar sker när temperaturen ökar, och supraledning försvinner först i bulken, sedan vid ytorna, därefter vid kanterna och slutligen i hörnen.Vi studerar också gränstillstånd för system på bikakegaller i papper $12$.Därefter övervägde vi gränssnittet mellan en BCS-supraledare och en icke-supraledande bandisolator i papper $10$. Vi visade att sådana gränssnitt kan ha en förhöjd supraledande kritisk temperatur (högre än vid supraledare-vakuumgränssnittet) utan att öka styrkan av parningsinteraktion vid gränssnittet.

Ett annat betydande bidrag från avhandlingen är studiet av spiralmagnetiska fält, okonventionell magnetisk respons och virveltillstånd i icke-centrosymmetriska supraledare.Papper $6$ diskuterar den mikroskopiska härledningen av den fria energin från Ginzburg-Landau, som visar att systemets magnetiska respons och förhållandet mellan koherens och magnetfältets penetrationslängder kan förändras avsevärt med temperaturen på grund av spin-orbit och Zeeman-koppling. Magnetfältet i sådana supraledare sönderfaller i spiraler, vilket leder till icke-monotonisk intervirvel och virvelgränsinteraktion och bildandet av bundna tillstånd med andra virvlar, antivirvlar och gränser. Papper $11$ visar magnetisk dipol eller ferromagnetisk inneslutning i icke-centrosymmetriska supraledare inducerar självknutna magnetfältskonfigurationer som kallas ``toroflux", som är supraledande motsvarigheter till Chandrasekhar-Kendall-tillstånden i astrofysiska och nukleära fusionsplasma.

Slutligen, utforskar avhandlingen solitoner i obalanserade fermioniska system.Paper $5$ presenterar en studie om stabila solitoner i supervätskor med fermionisk obalans och enhetligt grundtillstånd. Solitonerna är bildade av radiella densitetsmoduleringar som resulterar i nodalringar och kan uppvisa icke-triviala soliton-soliton- och soliton-virvelinteraktioner.Papper $2$ visar att i flerkomponents obalanserade fermionblandningar kan de superfluidiska tillstånden bilda tredimensionella gitter av länkade virvelslingor, vilket kan tolkas i termer av skyrmioner. Dessa lösningar kallas ``syntetisk nukleär Skyrme-materia".Paper $9$ föreslår en ny generalisering av kristallin ordning, kallad ``grundtillståndsfraktalkristaller", som är kristaller vars enhetsceller är fraktaler. Vi härleder en enkel modell vars grundtillstånd är en fraktal kristall.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-326135