Superconducting surfaces, solitons and skyrmions
Tid: Må 2024-05-13 kl 15.00
Plats: FA31, Roslagstullsbacken 21, Stockholm
Språk: Engelska
Respondent: Mats Barkman , Kondenserade materiens teori
Opponent: Professor Leo Radzihovsky, University of Colorado Boulder
Handledare: Egor Babaev, Kondenserade materiens teori
QC 2024-04-29
Abstract
Den här avhandlingen fokuserar på supraledning, ett forskningsområde inom kondenserade materiens fysik som sedan dess upptäckt för cirka ett sekel sedan har haft stor betydelse både för grundläggande fysik och praktiska tillämpningar. Kvantvirvlar spelar till exempel en viktig roll både inom den kondenserade materiens fysik och högenergifysik. De starka magnetfälten som krävs i magnetkameror genereras tack vare resistansfria supraledare.
Min forskning inom supraledning berör tre områden: supraledande ytor, flerbandssupraledning och inhomogena tillstånd i suprafluider med obalans. En kort introduktion och sammanfattning av denna avhandlings vetenskapliga bidrag till dessa områden ges nedan.
Enligt Bardeen-Cooper-Schrieffer-teori uppstår supraledning genom kondensation av bundna elektronpar, så kallade Cooperpar. Det supraledande tillståndet beskrivs av ett komplexvärt fält som kallas det supraledande gapet. I de enklaste supraledarna med enbart ett elektronband behövs endast ett komplexvärt fält för att beskriva det supraledande tillståndet, som spontant bryter U(1)-symmetri. I andra supraledande material vars bandstruktur är mer komplicerad, som till exempel Ba1−xKxFe2As2, kan det behövas flera komplexvärda fält för att beskriva det supraledande tillståndet. Sådana flerbandssupraledare kan spontant bryta andra symmetrier, såsom tidsinversionssymmetri, utöver U(1)-symmetrin.
s+is och s+id är två parningssymmetrier som föreslagits beskriva spin-singlet-supraledare som spontant bryter tidsinversionssymmetri. I artikel IV visar vi hur magnetfälten som genereras av domänväggar i anisotropa sådana supraledare kan användas för att särskilja de två föreslagna parningssymmetrierna.
Att identifiera tillåtna topologiska excitationer i supraledare är avgörande för att förstå det supraledande tillståndet. Exempelvis så spelar kvantvirvlar en viktig roll då typ-II-supraledare utsätts för externa magnetfält och vid fasövergångar i supraledare och suprafluider orsakade av termiska fluktuationer. Det har föreslagits att flerbandssupraledare som beskrivs av flera komplexa fält kan inneha topologiska excitationer som skiljer sig från vanliga kvantvirvlar. Dessa topologiska excitationers egenskaper i flerbandssupraledare är lika viktiga som kvantvirvlars egenskaper är i vanliga supraledare. I artikel VII och artikel VIII presenterar vi de första mikroskopiska lösningarna av partiella virvlar och CP2-skyrmioner med hjälp av Bogoliubov-de Gennes (BdG)-teori. Sådana tillstånd har tidigare påvisats genom klassiska fältteorier såsom Ginzburg-Landau (GL)-teori. Våra BdG-beräkningar behåller mikroskopiska frihetsgrader som försummas i GL-teori och kvasiklassiska beskrivningar av supraledning.
Abrikosovs virveltillstånd, som bildas i typ-II-supraledare i ett externt magnetfält, är det mest välkända inhomogena supraledande tillståndet. Fulde, Ferrell, Larkin och Ovchinnikov (FFLO) lade fram idén att ett annorlunda inhomogent tillstånd kan bildas i supraledare med tillräckligt stor spin-obalans. Detta supersolida tillstånd uppstår då Cooperpar med nollskild rörelsemängd bildas på grund av spin-beroende Fermiytor. I artikel V visar vi att suprafluider med spin-obalans kan inneha en unik typ av solitoner, trots att FFLO-tillståndet inte ännu har nåtts. Dessa solitoner är inte tillåtna i vanliga homogena supraledande tillstånd, och är därför identifierbara spår av FFLO-tillståndet.
Fulde-Ferrell-tillståndet och Larkin-Ovchinnikov-tillståndet karaktäriseras av modulerad fas respektive amplitud av det supraledande gapet. I artikel II undersöker vi ifall det existerar andra typer av inhomogena tillstånd orsakade av obalans i flerbandssupraledare. Med hjälp av GL-teori hittade vi två nya sorters inhomogena tillstånd som karaktäriseras av rumsligt varierande kiralitet respektive nematicitet.
Det är viktigt att förstå hur supraledning beter sig vid ytor, både ur ett fundamentalt perspektiv och i praktiken vid konstruktion av supraledande enheter. I artikel I och artikel III visar vi med hjälp av både GL- och BdG-teori att partäthetsvågssupraledare kan ha supraledande yttillstånd vars kritiska temperatur överskrider den supraledande bulkens kritiska temperatur. I artikel VI visar vi förhöjda kritiska temperaturer vid supraledare-isolator-ytskikt. Denna ökning i kritisk temperatur sker utan att lokalt öka parningsstyrkan nära ytskiktet, eller genom att introducera modifierade ytfononer.