[논문 리뷰] Superconducting phases in a two-component microscale model of neutron star cores

Toby S. Wood, Vanessa Graber외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 05.

Pulsars and Gravitational Waves Research인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 중성자별 핵에서 중성자 및 양성자 초유체가 함께 존재하고 에너지 이행이 발생하는 상황에서 초전도상태를 조사하기 위해 이중성분 Ginzburg–Landau 모델을 개발한다. 실제 Skyrme 상태방정식 매개변수를 사용하여, 외부 핵에서 형광선 뭉치가 메이슨 영역으로 분리된 비균일한 플럭스튜브 배열을 특징으로 하는 타입-1.5 초전도성을 규명한다. 이는 기존의 타입-II 가정을 도전하며, 복잡성으로 인해 수치적으로 결정된 상전이를 보인다.

ABSTRACT

We identify the possible ground states for a mixture of two superfluid condensates (one neutral, the other electrically charged) using a phenomenological Ginzburg-Landau model. While this framework is applicable to any interacting condensed-matter mixture of a charged and a neutral component, we focus on nuclear matter in neutron star cores, where proton and neutron condensates are coupled via non-dissipative entrainment. We employ the Skyrme interaction to determine the neutron star's equilibrium composition, and hence obtain realistic coefficients for our Ginzburg-Landau model at each depth within the star's core. We then use the Ginzburg-Landau model to determine the ground state in the presence of a magnetic field. In this way, we obtain superconducting phase diagrams for six representative Skyrme models, revealing the microphysical magnetic flux distribution throughout the neutron star core. The phase diagrams are rather complex and the locations of most of the phase transitions can only be determined through numerical calculations. Nonetheless, we find that for all equations of state considered in this work, much of the outer core exhibits type-1.5 superconductivity, rather than type-II superconductivity as is generally assumed. For local magnetic field strengths $\lesssim 10^{14} \, { m G}$, the magnetic flux is distributed inhomogeneously, with bundles of magnetic fluxtubes separated by flux-free Meissner regions. We provide an approximate criterion to determine the transition between this type-1.5 phase and the type-I region in the inner core.

연구 동기 및 목표

• 중성자별 핵에서 한 개의 양전자 초유체와 한 개의 중성자 초유체 혼합체의 안정상태를 현상학적 Ginzburg–Landau 프레임워크를 사용하여 결정한다.
• 중성자 및 양성자 응축체 간의 에너지 이행이 초전도상 전이 및 플럭스선 구조에 미치는 영향을 조사한다.
• 특히 실제 핵물리 매개변수 하에서 중성자별의 외부 핵이 타입-I, 타입-II, 또는 타입-1.5 초전도성으로 더 잘 기술되는지 평가한다.
• 외부 자기장 존재 시 중성자별 핵 내 자기 플럭스 분포에 대한 미세물리적 기초를 제공한다.

제안 방법

• 중성자 및 양성자 초유체 간의 비소산 에너지 이행을 포함하는 이중성분 Ginzburg–Landau 자유에너지 함수를 수립한다.
• Skyrme 상호작용을 사용하여 평형 핵 조성을 계산하고, 중성자별 핵의 다양한 깊이에서 실제적인 Ginzburg–Landau 계수를 추출한다.
• 외부 자기장 하에서의 안정상태를 결정하기 위해 Ginzburg–Landau 모델을 적용하며, 플럭스튜브 격자 구조를 포함한다.
• 여섯 가지 Skyrme 상태방정식에 대해 수치적으로 단계도를 평가하여 핵 전체에 걸친 초전도상태를 매핑한다.
• 고차항 보정을 포함한 펌프팅 분석 및 자유에너지 최소화를 통해 플럭스선 격자의 안정성을 시험한다.
• 결합 매개변수와 자기장 강도에 기반한 타입-1.5와 타입-I 초전도상 사이의 전이 기준을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 핵물리 매개변수 하에서 중성자별의 외부 핵은 타입-I, 타입-II, 또는 타입-1.5 초전도성을 나타내는가?
• RQ2 중성자 및 양성자 초유체 간의 에너지 이행은 자기 플럭스튜브의 안정성과 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 내부 핵에서 타입-1.5와 타입-I 초전도상 사이의 전이를 결정짓는 요소는 무엇인가?
• RQ4 외부 핵에서 규칙적인 플럭스튜브 격자가 유지될 수 있는가, 아니면 비선형 불안정성으로 인해 붕괴되는가?
• RQ5 중성자 응축체의 펌프팅(γ)은 플럭스선 격자의 안정성 또는 불안정성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 연구된 여섯 가지 Skyrme 상태방정식 전부에서, 외부 핵은 형광선 뭉치가 메이슨 영역으로 분리된 비균일한 플럭스튜브 분포로 인해 타입-II가 아닌 타입-1.5 초전도성을 나타낸다.
• 내부 핵에서 타입-1.5에서 타입-I 초전도로의 전이는 국소 자기장 ≲10^14 G에서 발생하며, 이는 결합 매개변수와 자기장 강도에 기반한 기준으로 도출되었다.
• 수치 계산 결과, 기하학적 제약 조건 하에서 무한 도메인 내에서 유일하게 안정된 플럭스선 구조는 단일 전하를 지닌 정육각형 격자이다.
• 결합 매개변수 h1과 h2가 충분히 클 경우, 중성자 응축체에 대한 펌프팅 γ가 증가하여 자유에너지가 감소하므로, 1차 전이가 가능하다.
• 자유에너지 항이 식 (122)에서 음수가 되는 큰 도메인에서는 약한 비선형 분석이 붕괴되며, 이는 비정규 격자 안정상으로의 초차분기 전이를 나타낸다.
• 큰 도메인의 진정한 안정상은 고차전하 격자가 아니라, 비초전도상과 단일 전하 정육각형 격자의 혼합체이며, 임계 자기장 초과 시 비선형 불안정성으로 인해 발생한다.