[논문 리뷰] 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)|2017. 03. 09.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전통적인 BCS 이론을 사용하여 초전도체-정상(비초전도체) 상태 전이(S-N) 및 정상-초전도체 상태 전이(N-S) 동안의 엔트로피 생성과 운동량 이행을 분석한다. 전통 이론은 초전도 전이를 일관되게 설명할 수 없으며, 열역학 법칙을 위반할 수밖에 없는데, 이는 엔트로피 생성이 없이 운동량 이행이 일어나야만 가능하다. 그러나 이에 대한 메커니즤포함되지 않는다. 반면, 구멍 초전도 이론은 이러한 일관성 문제를 피한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초전도 이론의 전통적 이론이 열역학 원칙에 부합하여 S-N 및 N-S 상태 전이를 일관되게 기술할 수 있는지 검토하기.
• 특히 자기장 존재 하에서 초전도 상태에서 정상 상태로의 전이 동안 엔트로피 생성을 조사하기.
• 초전류와 물체 간의 운동량 이행이 엔트로피 생성 없이 일어날 수 있는지, 열역학 일관성에 따라 평가하기.
• 전통적인 BCS 이론이 상태 전이 중에 엔트로피 생성이 없는 운동량 이행을 위한 물리적 메커니즘을 제공하는지 평가하기.
• 전통적인 초전도 이론과 대안적 구멍 초전도 이론 간의 열역학 일관성 비교하기.

제안 방법

• 자기장 하에서 S-N 상태 전이를 일阶 전이로 간주하고 열역학 법칙을 운동량과 엔트로피 이행에 적용한다.
• 메이스너 효과에 초점을 맞춰 N-S 전이에 열역학 법칙을 적용하고 에너지 및 엔트로피 균형을 분석한다.
• 초전류의 운동에너지 및 그 소산(또는 소산 없음)이 S-N 전이 중에 미치는 영향을 평가한다.
• 초전류와 격자 간의 운동량 이행이 열역학 일관성을 확보하기 위해 엔트로피 생성이 없어야 한다는 조건을 평가한다.
• 전통적인 BCS 이론과 구멍 초전도 모델 간의 엔트로피 및 운동량 이행에 대한 예측을 비교한다.
• 에너지 및 엔트로피 흐름의 이론적 분석을 통해 전통적 프레임워크 내의 일관성 문제를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전통적인 초전도 이론은 열역학 법칙을 위반하지 않고 S-N 상태 전이를 일관되게 기술할 수 있는가?
• RQ2 초전류와 물체 간의 운동량 이행 중 엔트로피 생성이 0인 상태는 전통 이론 내에서 물리적으로 실현 가능한가?
• RQ3 전통 이론은 상태 전이 중에 엔트로피 생성이 없는 운동량 이행을 위한 메커니즘을 제공하는가?
• RQ4 구멍 초전도 이론은 전통적 접근에서 발생하는 열역학적 일관성 문제를 어떻게 해결하는가?
• RQ5 엔트로피 생성은 메이스너 효과와 S-N 전이의 가역성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 자기장 존재 하에서 S-N 전이는 이상 조건에서 열역학적으로 가역이어야 하는 일阶 전이이다.
• 열역학 일관성을 확보하기 위해 S-N 전이 중 초전류와 물체 간의 운동량 이행은 엔트로피 생성 없이 일어나야 한다.
• 전통적인 BCS 이론은 엔트로피 생성이 없는 운동량 이행을 달성하기 위한 물리적 메커니즘을 제공하지 않아 근본적인 일관성 문제를 야기한다.
• N-S 전이(메이스너 효과)는 초전류의 운동에너지가 줄열열로 소산되지 않아야 하며, 이는 엔트로피 생성이 없는 것과 일치한다.
• 구멍 초전도 이론은 자연스럽게 엔트로피 생성이 없는 운동량 이행을 수용함으로써 이러한 열역학적 일관성 문제를 피한다.
• 전통 이론에서 엔트로피 생성이 없는 운동량 이행을 위한 메커니즘이 부재함으로써, 상태 전이 중 열역학 일관성이 뒤흔들린다.