[论文解读] 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 6

一句话总结

本文利用传统的BCS理论分析了超导体-正常态（S-N）和正常态-超导体（N-S）相变过程中的熵产生与动量传递。研究发现，除非动量传递过程中熵产生为零，否则传统理论无法在不违反热力学定律的前提下一致地解释这些相变；然而，该理论并未提供实现这一过程的机制。相比之下，空穴超导理论避免了这种不一致。

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.

研究动机与目标

• 检验传统超导理论是否能在热力学原理下一致地描述S-N与N-S相变。
• 研究在存在磁场的情况下，从超导态到正常态转变过程中的熵产生。
• 评估在热力学一致性要求下，超导电流与材料本体之间是否可实现无熵生成的动量传递。
• 评估传统BCS理论是否为相变过程中无熵生成的动量传递提供了物理解释。
• 对比传统超导理论与替代性空穴超导理论在热力学一致性方面的差异。

提出的方法

• 将S-N相变视为在磁场作用下的一级相变，应用热力学定律分析动量与熵的传递。
• 将热力学定律应用于N-S相变（迈斯纳效应），重点关注能量与熵的平衡。
• 评估超导电流动能在S-N相变过程中的耗散（或非耗散）作用。
• 评估超导电流与晶格之间的动量传递，要求无熵生成以保证热力学一致性。
• 比较传统BCS理论与空穴超导模型在熵与动量传递方面的预测差异。
• 通过能量与熵流的理论分析，识别传统框架中的不一致之处。

实验结果

研究问题

• RQ1 传统超导理论是否能在不违反热力学定律的前提下，一致地描述S-N相变？
• RQ2 在传统理论框架下，超导电流与物体之间动量传递过程中实现零熵生成是否在物理上可行？
• RQ3 传统理论是否为相变过程中无熵生成的动量传递提供了机制？
• RQ4 空穴超导理论如何解决传统方法中存在的热力学不一致问题？
• RQ5 熵生成对迈斯纳效应与S-N相变可逆性有何影响？

主要发现

• 在磁场存在的情况下，S-N相变是一级相变，理想条件下必须满足热力学可逆性。
• 为保证热力学一致性，S-N相变过程中超导电流与物体之间的动量传递必须实现零熵生成。
• 传统BCS理论无法提供实现零熵动量传递的物理机制，导致根本性不一致。
• N-S相变（迈斯纳效应）要求超导电流动能不以焦耳热形式耗散，这与零熵生成一致。
• 空穴超导理论通过自然容纳零熵动量传递，避免了这种热力学不一致。
• 传统理论缺乏零熵动量传递机制，严重削弱了其在相变过程中的热力学一致性。