[論文レビュー] Fluctuation Phenomena in Superconductors

A. I. Larkin, A. A. Varlamov|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2001

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 10

ひとこと要約

この包括的なレビューは、$T_c$ の近くにおける熱力学的および輸送現象を記述するために、図式的手法と関数積分法を用いて、多様な系における超伝導フラクチュエーションの理論的枠組みを統合的に提示する。本研究では、従来の超伝導体では無視可能であったフラクチュエーション効果が、低次元的・高温的・不純物を含む超伝導体では支配的になると示し、パラコンダクティビティ、ディアマグネティズム、マグネトコンダクティビティに関する重要な定量的予測を提示する。

ABSTRACT

The review is devoted to the detailed description of the fluctuation phenomena in superconductors. Developing phenomenological methods through the first five sections we deal with the direct fluctuation pair contributions only. The indirect fluctuation effects are discussed in the last two sections, devoted to the microscopic justification of the time dependent Ginzburg-Landau equation, the description of the microscopic theory of fluctuations, and discussion of their manifestations in various physical properties of superconductors. The first six sections are written in detail, so they can serve as a textbook. On the contrary, in the last section a wide panorama of fluctuation effects in different physical properties of superconductors is presented. Thus this section has more of a handbook character, and the intermediate calculations often are omitted.

研究の動機と目的

• 従来のおよび非従来の超伝導体における $T_c$ 以上および以下での超伝導フラクチュエーションを体系的に分析すること。
• 強フラクチュエーションを示す系における平均場理論および準粒子記述の破綻を扱うこと。
• 現象的リンツブルグ＝ランドウ理論を、図式的手法および関数積分技術による微視的導出と統合すること。
• 特に低次元的・不純物を含む系において、熱力学的および輸送特性へのフラクチュエーション寄与を定量的に評価すること。
• 熱容量、電導率、磁気的応答の実験的データを解釈する理論的基盤を提供すること。

提案手法

• リンツブルグ＝ランドウ（GL）形式主義を用いて、熱容量、ディアマグネティズム、パラコンダクティビティに対するフラクチュエーション補正を計算すること。
• 弱結合領域におけるフラクチュエーション寄与を体系的に計算するため、図式的手法（ラダー近似およびパルケット近似）を用いること。
• 臨界点付近における強いフラクチュエーションを扱うために、関数的（連続的）積分を用いること。
• 電子間相互作用および不純物効果を含めた微視的原理から、時間に依存するリンツブルグ＝ランドウ方程式を導出すること。
• フラクチュエーション寄与を、アスラマゾフ＝ラリン、マキ＝トムプソン、および状態密度フラクチュエーションの異なるチャネルに分離すること。
• リンツブルグ＝レヴァニュク基準を用いて、平均場理論の有効範囲を定義し、フラクチュエーション領域の幅を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超伝導フラクチュエーションは、$T_c$ より上での熱容量およびディアマグネティック磁化率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 不純物を含む低次元的・層状超伝導体におけるパラコンダクティビティの微視的起源と定量的大きさは何か？
• RQ3 臨界温度 $T_c$ 付近の正規状態における磁場に対するマグネトコンダクティビティおよびホール電導率にフラクチュエーションがどのように影響を与えるか？
• RQ4 異なるフラクチュエーションチャネル（アスラマゾフ＝ラリン、マキ＝トムプソンなど）が、全フラクチュエーション電導率に果たす相対的寄与は何か？
• RQ5 2次元系における量子フラクチュエーションおよび超伝導体－絶縁体転移はどのように現れるか？

主な発見

• リンツブルグ＝レヴァニュクパラメータ $Gi_{(D)} \sim (T_c/E_F)^4$ は、フラクチュエーション領域の相対的幅を定量化するものであり、バルク的従来超伝導体では極めて小さい（$\sim 10^{-12}$ から $10^{-14}$）ことが示された。
• 熱容量およびディアマグネティック磁化率に対するフラクチュエーション補正は $T_c$ より上でも継続し、臨界温度付近で顕著な増大が予測され、リンツブルグの予測が微視的にも裏付けられた。
• 薄膜および低次元系では、パラコンダクティビティなどのフラクチュエーション効果が支配的となり、特にクリーン限界では平均場寄与を上回る。
• アスラマゾフ＝ラリン寄与のパラコンダクティビティは、$T_c$ 付近で $\sigma_{AL} \propto (T_c - T)^{-1}$ のようにスケーリングされ、実験的特徴としての重要な指標を提供する。
• 強い磁場、特に $H_{c2}(0)$ に近い領域では、フラクチュエーションマグネトコンダクティビティが非単調な角度依存性および磁場依存性を示し、輸送測定で検出可能である。
• フラクチュエーションはトンネルおよびNMR応答を顕著に変化させ、状態密度のシフトやスピン緩和率の変化が生じ、これらは実験的にプローブ可能である。