[論文レビュー] Entropy generation and momentum transfer in the superconductor to normal phase transformation and the consistency of the conventional theory of superconductivity

J. E. Hirsch|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2017

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、従来のBCS理論を用いて、超伝導体から常伝導体（S-N）および常伝導体から超伝導体（N-S）への相転移におけるエントロピー生成と運動量移動を分析している。その結果、従来理論では、エントロピー生成がゼロである運動量移動が伴わない限り、熱力学的法則に違反することなく相転移を一貫して説明できないことが判明したが、そのような運動量移動のメカニズムは提示されていない。これに対して、ホール超伝導理論は、この不整合を回避する。

ABSTRACT

Since the discovery of the Meissner effect the superconductor to normal (S-N) phase transition in the presence of a magnetic field is understood to be a first order phase transformation that is reversible under ideal conditions and obeys the laws of thermodynamics. The reverse (N-S) transition is the Meissner effect. This implies in particular that the kinetic energy of the supercurrent is not dissipated as Joule heat in the process where the superconductor becomes normal and the supercurrent stops. In this paper we analyze the entropy generation and the momentum transfer between the supercurrent and the body in the S-N transition and the N-S transition as described by the conventional theory of superconductivity. We find that it is impossible to explain the transition in a way that is consistent with the laws of thermodynamics unless the momentum transfer between the supercurrent and the body occurs with zero entropy generation, for which the conventional theory of superconductivity provides no mechanism. Instead, we point out that the alternative theory of hole superconductivity does not encounter such difficulties.

研究の動機と目的

• 従来の超伝導理論が、熱力学的原則に従ってS-NおよびN-S相転移を一貫して記述できるかどうかを検討すること。
• 特に磁場が存在する状況下での、超伝導状態から常伝導状態への転移におけるエントロピー生成を調査すること。
• 超伝導電流と物質の間で運動量移動が行われるが、その際にエントロピー生成がゼロである必要があるという熱力学的整合性を満たすために、運動量移動がどのように行われるかを評価すること。
• 従来のBCS理論が、相転移中にエントロピー生成がゼロの運動量移動を実現する物理的メカニズムを提供しているかどうかを評価すること。
• 従来の超伝導理論と代替的であるホール超伝導理論との間での熱力学的整合性を比較すること。

提案手法

• 磁場下におけるS-N相転移を一次転移として扱い、運動量およびエントロピー移動に熱力学法則を適用する。
• Meissner効果に注目してN-S転移（Meissner効果）に熱力学法則を適用し、エネルギーとエントロピーのバランスを検討する。
• S-N転移中に超伝導電流の運動エネルギーがどのように散逸する（またはされない）かを評価する。
• 超伝導電流と格子との間の運動量移動が、熱力学的整合性を満たすためにエントロピー生成がゼロでなければならないことを検証する。
• 従来のBCS理論とホール超伝導モデルの間で、エントロピーおよび運動量移動に関する予測を比較する。
• エネルギーおよびエントロピーの流れの理論的分析を用いて、従来枠組み内の不整合を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の超伝導理論は、熱力学的法則に違反することなく、S-N相転移を一貫して記述できるか？
• RQ2 超伝導電流と物体との間の運動量移動において、エントロピー生成がゼロであることは、従来理論内ですでに物理的に実現可能か？
• RQ3 従来理論は、相転移中にエントロピー生成がゼロの運動量移動を実現するメカニズムを提供しているか？
• RQ4 ホール超伝導理論は、従来のアプローチに見られる熱力学的不整合をどのように解消するか？
• RQ5 エントロピー生成の有無が、Meissner効果およびS-N転移の可逆性に与える影響は何か？

主な発見

• 磁場が存在する状況下でのS-N転移は、理想条件下では熱力学的に可逆である一次転移である必要がある。
• 熱力学的整合性を満たすためには、S-N転移中に超伝導電流と物体との間で運動量移動が行われる際、エントロピー生成がゼロでなければならない。
• 従来のBCS理論は、エントロピー生成がゼロの運動量移動を実現する物理的メカニズムを提供していないため、根本的な不整合が生じている。
• N-S転移（Meissner効果）では、超伝導電流の運動エネルギーがジュール熱として散逸してはならず、これはゼロエントロピー生成と整合する。
• ホール超伝導理論は、自然にゼロエントロピー運動量移動を組み込むことで、この熱力学的不整合を回避する。
• 従来理論がゼロエントロピー運動量移動のメカニズムを提供していないことにより、相転移過程における熱力学的整合性が損なわれている。