[论文解读] Superconducting phases in a two-component microscale model of neutron star cores

Toby S. Wood, Vanessa Graber+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2020

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 7

一句话总结

本研究构建了一个两组分的金兹堡-朗道模型，以研究中子星核心中中子与质子超流体共存并存在阻尼效应时的超导相。利用真实的Skyrme状态方程参数，研究发现外核表现出1.5型超导性——其特征为由Meissner区域分隔的非均匀磁通管束，这挑战了传统的II型超导假设，且由于系统复杂性，相变由数值方法确定。

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.

研究动机与目标

• 利用现象学金兹堡-朗道框架，确定中子星核心中两超流体混合物（一个带电，一个中性）的基态。
• 研究中子与质子凝聚体之间的阻尼效应对超导相变及磁通线结构的影响。
• 评估在真实核物质参数下，中子星外核是否更宜被描述为I型、II型或1.5型超导体。
• 为中子星核心中的磁通分布，特别是在外加磁场存在下，提供微观物理基础。

提出的方法

• 构建一个包含中子与质子超流体之间非耗散阻尼效应的两组分金兹堡-朗道自由能泛函。
• 利用Skyrme相互作用计算平衡核物质组成，并提取不同深度下真实的金兹堡-朗道系数。
• 应用金兹堡-朗道模型在外部磁场下确定基态，包括磁通管晶格构型。
• 对六种Skyrme状态方程数值评估相图，以映射核心中各超导相的分布。
• 通过微扰分析与自由能最小化方法测试磁通管晶格的稳定性，包括金兹堡-朗道展开中的高阶修正项。
• 基于耦合参数与磁场强度，推导出1.5型与I型超导相之间转变的判据。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实核物质参数下，中子星外核是否表现出I型、II型或1.5型超导性？
• RQ2 中子与质子超流体之间的阻尼效应如何影响磁通管的稳定性和结构？
• RQ3 内核中1.5型与I型超导相之间的转变由什么决定？
• RQ4 外核中常规磁通管晶格假设是否能够维持，还是因非线性不稳定性而失效？
• RQ5 中子凝聚体的微扰（通过γ表示）在稳定或破坏磁通线晶格中起什么作用？

主要发现

• 在所研究的六种Skyrme状态方程中，由于磁通管分布非均匀且存在无磁通的Meissner区域，中子星外核均表现出1.5型超导性，而非II型。
• 内核中从1.5型到I型超导性的转变发生在局部磁场 ≲10^14 G时，其判据基于耦合参数与磁场强度。
• 数值计算表明，在几何约束下，无界区域中唯一稳定的磁通线构型为单电荷六边形晶格。
• 当耦合参数h1与h2足够大时，可能出现一级相变，因为它们增强了对中子凝聚体的微扰γ，从而降低自由能。
• 当自由能项在公式(122)中变为负值时，弱非线性分析在大区域中失效，表明向非晶格基态的次临界分岔。
• 对于大区域，真实基态是正常不超导相与单电荷六边形晶格的混合态，而非高电荷晶格，这是由于在临界场以上出现非线性不稳定性。