Теория Гинзбурга – Ландау - Ginzburg–Landau theory

В физика, Теория Гинзбурга – Ландау, часто называют Теория Ландау – Гинзбурга, названный в честь Виталий Лазаревич Гинзбург и Лев Ландау, математическая физическая теория, используемая для описания сверхпроводимость. В своей первоначальной форме она постулировалась как феноменологическая модель, которая могла описывать сверхпроводники первого типа без изучения их микроскопических свойств. Один сверхпроводник GL-типа - знаменитый YBCO, и вообще все купраты.[1]

Позже версия теории Гинзбурга – Ландау была выведена из Бардин – Купер – Шриффер микроскопическая теория Лев Горьков, таким образом показывая, что он также входит в некоторый предел микроскопической теории и дает микроскопическую интерпретацию всех ее параметров. Теории также можно дать общую геометрическую установку, поместив ее в контекст Риманова геометрия, где во многих случаях можно дать точные решения. Затем этот общий параметр распространяется на квантовая теория поля и теория струн опять же из-за его разрешимости и тесной связи с другими подобными системами.

Введение

На основе Ландо ранее установленная теория второго порядка фазовые переходы, Гинзбург и Ландо утверждал, что свободная энергия, F, сверхпроводника вблизи сверхпроводящего перехода можно выразить через сложный параметр порядка поле ψ, которая отлична от нуля ниже фазового перехода в сверхпроводящее состояние и связана с плотностью сверхпроводящего компонента, хотя в исходной статье этому параметру не было дано прямой интерпретации. Предполагая малость |ψ| и малости ее градиентов свободная энергия имеет форму теории поля.

где Fп свободная энергия в нормальной фазе, α и β в исходном аргументе рассматривались как феноменологические параметры, м эффективная масса, е это заряд электрона, А это магнитный векторный потенциал, и - магнитное поле. Минимизируя свободную энергию по отношению к вариациям параметра порядка и векторного потенциала, мы приходим к Уравнения Гинзбурга – Ландау

где j обозначает плотность электрического тока без рассеяния, а Re то реальная часть. Первое уравнение, которое имеет некоторое сходство с не зависящим от времени Уравнение Шредингера, но принципиально отличается из-за нелинейного члена - определяет параметр порядка, ψ. Второе уравнение дает сверхпроводящий ток.

Простая интерпретация

Рассмотрим однородный сверхпроводник, в котором нет сверхпроводящего тока, и уравнение для ψ упрощается до:

Это уравнение имеет тривиальное решение: ψ = 0. Это соответствует нормальному проводящему состоянию, то есть для температур выше температуры сверхпроводящего перехода, Т > Тc.

Ниже температуры сверхпроводящего перехода ожидается, что вышеуказанное уравнение будет иметь нетривиальное решение (то есть ψ ≠ 0). Исходя из этого предположения, приведенное выше уравнение можно преобразовать в:

Когда правая часть этого уравнения положительна, существует ненулевое решение для ψ (помните, что величина комплексного числа может быть положительной или нулевой). Этого можно добиться, если предположить следующую температурную зависимость α: α(Т) = α0 (ТТc) с α0/β > 0:

  • Выше температуры сверхпроводящего перехода Т > Тc, выражение α(Т)/β положительно, а правая часть приведенного выше уравнения отрицательна. Величина комплексного числа должна быть неотрицательным числом, поэтому только ψ = 0 решает уравнение Гинзбурга – Ландау.
  • Ниже температуры сверхпроводящего перехода Т < Тc, правая часть приведенного выше уравнения положительна и существует нетривиальное решение для ψ. Более того,
это ψ приближается к нулю, когда Т становится ближе к Тc снизу. Такое поведение типично для фазового перехода второго рода.

В теории Гинзбурга – Ландау было предложено, чтобы электроны, вносящие вклад в сверхпроводимость, образовывали сверхтекучий.[2] В этой интерпретации |ψ|2 указывает долю электронов, которые сконденсировались в сверхтекучую жидкость.[2]

Длина когерентности и глубина проникновения

Уравнения Гинзбурга – Ландау предсказали две новые характерные длины в сверхпроводнике. Первая характерная длина была названа длина когерентности, ξ. За Т > Тc (нормальная фаза), определяется выражением

в то время как для Т < Тc (сверхпроводящая фаза), где это более актуально, это определяется как

Он устанавливает экспоненциальный закон, согласно которому малые возмущения плотности сверхпроводящих электронов восстанавливают свое равновесное значение ψ0. Таким образом, эта теория характеризует все сверхпроводники двумя масштабами длины. Второй - это Глубина проникновения, λ. Ранее он был введен братьями из Лондона в их Лондонская теория. Выражаясь в параметрах модели Гинзбурга – Ландау, это

где ψ0 - равновесное значение параметра порядка в отсутствие электромагнитного поля. Глубина проникновения задает экспоненциальный закон, согласно которому внешнее магнитное поле затухает внутри сверхпроводника.

Оригинальная идея по параметру κ принадлежит Ландау. Соотношение κ = λ/ξ в настоящее время известен как Параметр Гинзбурга – Ландау. Ландау предложил, чтобы Сверхпроводники I типа те, у которых 0 < κ < 1/2, и Сверхпроводники II типа те, у кого κ > 1/2.

Колебания в модели Гинзбурга – Ландау.

В фаза перехода от нормального состояния имеет второй порядок для сверхпроводников типа II с учетом флуктуаций, как продемонстрировали Дасгупта и Гальперин, тогда как для сверхпроводников типа I он имеет первый порядок, как продемонстрировали Гальперин, Любенский и Ма.

Классификация сверхпроводников на основе теории Гинзбурга – Ландау.

В исходной статье Гинзбург и Ландау наблюдали существование двух типов сверхпроводников в зависимости от энергии границы раздела между нормальным и сверхпроводящим состояниями. В Государство Мейснера выходит из строя, когда приложенное магнитное поле слишком велико. Сверхпроводники можно разделить на два класса в зависимости от того, как происходит этот пробой. В Сверхпроводники I типа, сверхпроводимость внезапно разрушается, когда напряженность приложенного поля превышает критическое значение ЧАСc. В зависимости от геометрии образца можно получить промежуточное состояние[3] состоящий из узора в стиле барокко[4] областей нормального материала, несущего магнитное поле, смешанного с областями сверхпроводящего материала, не содержащего поля. В Сверхпроводники II типа, повышая значение приложенного поля выше критического значения ЧАСc1 приводит к смешанному состоянию (также известному как состояние вихря), в котором увеличивается количество магнитный поток проникает в материал, но сопротивление прохождению электрического тока не остается, пока ток не слишком велик. При второй критической напряженности поля ЧАСc2, сверхпроводимость разрушена. Смешанное состояние на самом деле вызвано вихрями в электронной сверхтекучей жидкости, которые иногда называют флюксоны потому что поток, переносимый этими вихрями, равен квантованный. Самый чистый элементаль сверхпроводники, кроме ниобий и углеродные нанотрубки, относятся к типу I, в то время как почти все нечистые и сложные сверхпроводники относятся к типу II.

Важнейший вывод теории Гинзбурга – Ландау был сделан Алексей Абрикосов в 1957 г. Он использовал теорию Гинзбурга – Ландау для объяснения экспериментов со сверхпроводящими сплавами и тонкими пленками. Он обнаружил, что в сверхпроводнике II типа в сильном магнитном поле поле проникает в треугольную решетку квантованных трубок потока. вихри.[5]

Геометрическая формулировка

Функционал Гинзбурга – Ландау можно сформулировать в общем случае комплексное векторное расслоение через компактный Риманово многообразие.[6] Это тот же функционал, что и приведенный выше, преобразованный в обозначения, обычно используемые в римановой геометрии. Во многих интересных случаях можно показать те же явления, что и выше, в том числе: Абрикосовские вихри (см. обсуждение ниже).

Для сложного векторного расслоения над римановым многообразием с волокном , параметр порядка понимается как раздел векторного расслоения . Тогда функционал Гинзбурга – Ландау является Лагранжиан для этого раздела:

Здесь используются следующие обозначения. Волокна предполагается, что они оснащены Эрмитский внутренний продукт так что квадрат нормы записывается как . Феноменологические параметры и были поглощены, так что член потенциальной энергии является квартикой потенциал мексиканской шляпы, т.е. экспонирование спонтанное нарушение симметрии, с минимумом при некотором реальном значении . Интеграл явно по объемная форма

для -мерное многообразие с определителем метрического тензора .

В это подключение одноформное и соответствующий кривизна 2-форма (это не то же самое, что свободная энергия отказался от вершины; Вот, соответствует электромагнитный тензор напряженности поля ). В соответствует векторный потенциал, но в целом неабелева когда , и нормализуется иначе. В физике связь обычно записывается как для электрического заряда и векторный потенциал ; в римановой геометрии удобнее опустить (и все другие физические единицы) и возьмите быть однотипный принимая ценности в Алгебра Ли соответствующей группе симметрии волокна. Здесь группа симметрии Солнце), так как это оставляет внутренний продукт инвариантный; так вот, форма, принимающая значения в алгебре .

Кривизна обобщает напряженность электромагнитного поля в неабелев сеттинг, поскольку форма кривизны из аффинная связь на векторный набор . Это условно записывается как

То есть каждый является кососимметричная матрица. (См. Статью о метрическое соединение для дополнительной артикуляции этого конкретного обозначения.) Чтобы подчеркнуть это, отметим, что первый член функционала Гинзбурга – Ландау, включающий только напряженность поля, равен

что просто Действие Янга – Миллса на компактном римановом многообразии.

В Уравнения Эйлера – Лагранжа. для функционала Гинзбурга – Ландау являются уравнения Янга – Миллса

и

где это Звездный оператор Ходжа, т.е. полностью антисимметричный тензор. Обратите внимание, что они тесно связаны с Уравнения Янга – Миллса – Хиггса.

Конкретные результаты

В теория струн, обычно изучается функционал Гинзбурга – Ландау для многообразия будучи Риманова поверхность, и принимая , т.е. а линейный пакет.[7] Феномен Абрикосовские вихри сохраняется в этих общих случаях, включая , где можно указать любое конечное множество точек, где исчезает, включая множественность.[8] Доказательство обобщается на произвольные римановы поверхности и Кэлеровы многообразия.[9][10][11][12] В пределе слабой связи можно показать, что сходится равномерно до 1, а и сходятся равномерно к нулю, а кривизна становится суммой по распределениям дельта-функций в вихрях.[13] Сумма по вихрям с кратностью как раз равна степени линейного расслоения; в результате можно записать линейное расслоение на римановой поверхности как плоское расслоение с N особые точки и ковариантно постоянное сечение.

Когда многообразие четырехмерно, обладающее вращениеc структура, то можно написать очень похожий функционал, Функционал Зайберга – Виттена, который можно анализировать аналогичным образом, и который обладает многими похожими свойствами, включая самодуальность. Когда такие системы интегрируемый, они изучаются как Системы Хитчина.

Самодуальность

Когда коллектор это Риманова поверхность , функционал можно переписать так, чтобы явно показать самодуальность. Этого можно достичь, написав внешняя производная как сумма Операторы Dolbeault . Точно так же и пространство одноформ над римановой поверхностью распадается на пространство, которое голоморфно, и пространство, которое антиголоморфно: , так что образуется в голоморфны в и не зависят от ; и наоборот за . Это позволяет записать векторный потенциал в виде и аналогично с и .

В случае , где волокно так что пучок линейный пакет, напряженность поля аналогично можно записать как

Обратите внимание, что в используемом здесь соглашении о знаках оба и чисто мнимые (а именно U (1) генерируется так что производные чисто мнимые). Тогда функционал становится

Под интегралом понимается объемная форма

,

так что

это общая площадь поверхности . В это Ходжа звезда, как прежде. Степень линейного пакета по поверхности является

где это первый Черн класс.

Лагранжиан минимизируется (стационарен), когда решить уравнения Гинзберга – Ландау

Обратите внимание, что это оба дифференциальных уравнения первого порядка, явно самодуальные. Интегрируя второй из них, можно быстро обнаружить, что нетривиальное решение должно подчиняться

.

Грубо говоря, это можно интерпретировать как верхний предел плотности абрикосовских вихрей. Также можно показать, что решения ограничены; нужно иметь .

Теории Ландау – Гинзбурга в теории струн.

В физика элементарных частиц, Любые квантовая теория поля с уникальной классической состояние вакуума и потенциальная энергия с вырожденная критическая точка называется теорией Ландау – Гинзбурга. Обобщение на N = (2,2) суперсимметричные теории в двух измерениях пространства-времени был предложен Джумрун Вафа и Николас Уорнер в статье за ​​ноябрь 1988 г. Катастрофы и классификация конформных теорий, в этом обобщении предполагается, что сверхпотенциал обладают вырожденной критической точкой. В том же месяце вместе с Брайан Грин они утверждали, что эти теории связаны поток ренормгруппы к сигма модели на Многообразия Калаби – Яу. в газете Многообразия Калаби – Яу и потоки ренормгруппы.. В своей статье 1993 г. Фазы N = 2 теории в двух измерениях, Эдвард Виттен утверждал, что теории Ландау – Гинзбурга и сигма-модели на многообразиях Калаби – Яу являются разными фазами одной и той же теории. Конструкция такой двойственности была дана путем связывания теории Громова – Виттена орбифолдов Калаби – Яу с теорией FJRW и аналогичной теорией Ландау – Гинзбурга «FJRW» в Уравнение Виттена, зеркальная симметрия и квантовая теория сингулярностей. Позднее сигма-модели Виттена были использованы для описания низкоэнергетической динамики 4-мерных калибровочных теорий с монополями, а также бранных конструкций.[14]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Wesche, Глава 50: Высокотемпературные сверхпроводники, Springer 2017, стр. 1233, содержится в Casap, Kapper Handbook
  2. ^ а б Гинзбург В.Л. (июль 2004 г.). «О сверхпроводимости и сверхтекучести (что мне удалось и что не удалось сделать), а также о« физическом минимуме »в начале 21 века». ХимФисХим. 5 (7): 930–945. Дои:10.1002 / cphc.200400182. PMID  15298379.
  3. ^ Лев Д. Ландау; Евгений М. Лифшиц (1984). Электродинамика сплошных сред.. Курс теоретической физики. 8. Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  978-0-7506-2634-7.
  4. ^ Дэвид Дж. Э. Каллавей (1990). «О замечательной структуре сверхпроводящего промежуточного состояния». Ядерная физика B. 344 (3): 627–645. Bibcode:1990НуФБ.344..627С. Дои:10.1016 / 0550-3213 (90) 90672-Z.
  5. ^ Абрикосов А.А. (1957). Магнитные свойства сверхпроводящих сплавов. Журнал физики и химии твердого тела, 2(3), 199–208.
  6. ^ Йост, Юрген (2002). «Функционал Гинзбурга – Ландау». Риманова геометрия и геометрический анализ (Третье изд.). Springer-Verlag. стр.373 –381. ISBN  3-540-42627-2.
  7. ^ Хитчин, Н. Дж. (1987). "Уравнения самодуальности на римановой поверхности". Труды Лондонского математического общества. s3-55 (1): 59–126. Дои:10.1112 / плмс / с3-55.1.59. ISSN  0024-6115.
  8. ^ Таубс, Клиффорд Генри (1980). "Произвольные N-вихревые решения уравнений Гинзбурга-Ландау первого порядка". Коммуникации по математической физике. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 72 (3): 277–292. Дои:10.1007 / bf01197552. ISSN  0010-3616. S2CID  122086974.
  9. ^ Брэдлоу, Стивен Б. (1990). «Вихри в голоморфных линейных расслоениях над замкнутыми кэлеровыми многообразиями». Коммуникации по математической физике. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 135 (1): 1–17. Дои:10.1007 / bf02097654. ISSN  0010-3616. S2CID  59456762.
  10. ^ Брэдлоу, Стивен Б. (1991). «Специальные метрики и устойчивость голоморфных расслоений с глобальными сечениями». Журнал дифференциальной геометрии. Международная пресса Бостона. 33 (1): 169–213. Дои:10.4310 / jdg / 1214446034. ISSN  0022-040X.
  11. ^ Гарсия-Прада, Оскар (1993). «Инвариантные связи и вихри». Коммуникации по математической физике. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 156 (3): 527–546. Дои:10.1007 / bf02096862. ISSN  0010-3616. S2CID  122906366.
  12. ^ Гарсиа-Прада, Оскар (1994). «Прямое доказательство существования вихревых уравнений над компактной римановой поверхностью». Бюллетень Лондонского математического общества. Вайли. 26 (1): 88–96. Дои:10.1112 / blms / 26.1.88. ISSN  0024-6093.
  13. ^ M.C. Хонг, Дж., Йост, М. Струве, "Асимптотические пределы функционала типа Гинзберга-Ландау", Геометрический анализ и вариационное исчисление Стефана Хильдебрандта (1996) Международная пресса (Бостон), стр. 99-123.
  14. ^ Гайотто, Давиде; Гуков Сергей; Зайберг, Натан (2013), «Поверхностные дефекты и растворители», Журнал физики высоких энергий, 2013 (9): 70, arXiv:1307.2578, Bibcode:2013JHEP ... 09..070G, Дои:10.1007 / JHEP09 (2013) 070, S2CID  118498045

Статьи

  • В.Л. Гинзбург, Л. Ландо, Ж. Эксп. Теор. Физ. 20, 1064 (1950). Английский перевод в: Л. Д. Ландау, Сборник статей (Oxford: Pergamon Press, 1965), с. 546
  • А.А. Абрикосов, Ж. Эксп. Теор. Физ. 32, 1442 (1957) (английский перевод: Сов. Phys. ЖЭТФ 5 1174 (1957)].) Оригинальная работа Абрикосова о вихревой структуре Сверхпроводники II типа полученное как решение уравнений Г – Л при κ> 1 / √2
  • Л.П. Горьков, Сов. Phys. ЖЭТФ 36, 1364 (1959)
  • А.А. Нобелевская лекция Абрикосова 2003 года: pdf файл или видео
  • В.Л. Нобелевская лекция Гинзбурга 2003 г .: pdf файл или видео