[论文解读] Temperature dependence of the superconductor energy gap

Ralph C. Dougherty, J. D. Kimel|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2012

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 3

一句话总结

该论文提出，超导体能隙的温度依赖性源于电子吉布斯自由能变化与正常态到超导态相变过程中熵变之间的热力学平衡。临界磁场 Hc(T) 被证明等于温度 T 下的能隙，预测汞和铅在特定化学结构下分别在约 0.21 K 和 0.11 K 处表现出较小的能隙极大值。

ABSTRACT

For a superconductor to be able to receive an external magnetic field, there must be a vacant energy state in the superconductor to receive the energy associated with the field. For a small range of energies near that of the critical magnetic field, Hc, these energy states lie within the superconductor temperature dependent energy gap. This paper uses thermodynamic analysis of the energy balance in the loss of dissipative electron scattering and the change in entropy of the conducting phase that occur in the phase transition between the normal metal and the superconducting state to suggest that changes in electron Gibbs free energy at T, from these sources are the basis for the temperature dependent energy gap. The critical magnetic field for a superconductor at temperature, T, Hc(T) occurs when the energy of the magnetic field is equal to the magnitude of the superconductor energy gap at T. When the superconductor energy gap is occupied with the energy of the external magnetic field, the normal metal conducting bands that became inaccessible at the superconductor - normal conductor phase transition are once again available for conduction, and the superconductor quenches. Experimental data from the literature suggests that the ratio of the superconductor energy gap to the superconductor critical temperature depends upon the chemical structure of superconductor. We anticipate that the superconducting energy gaps for mercury, and lead will show small maxima near 0.21, and 0.11 K, respectively.

研究动机与目标

• 使用热力学原理解释超导体能隙的温度依赖性。
• 阐明临界磁场 Hc(T) 与能隙之间物理起源的关系。
• 研究化学结构如何影响超导体中能隙与临界温度之比。
• 预测汞和铅等特定材料中能隙的温度依赖行为。

提出的方法

• 对正常态到超导态相变过程中的能量平衡进行热力学分析。
• 计算由于耗散散射消失引起的电子吉布斯自由能变化及熵变。
• 建立外部磁场能量等于温度 T 下能隙的模型。
• 推导出 Hc(T) 为磁场能量与温度依赖能隙相等的点。
• 利用文献中的实验数据验证理论框架。
• 将模型应用于基于化学结构预测汞和铅中能隙极大值。

实验结果

研究问题

• RQ1 能隙如何随温度变化，其依赖性的热力学因素是什么？
• RQ2 临界磁场 Hc(T) 与温度 T 下能隙相等的物理基础是什么？
• RQ3 超导体的化学结构如何影响其能隙与临界温度之比？
• RQ4 为何汞和铅等材料中的能隙在特定低温下表现出较小的极大值？
• RQ5 电子吉布斯自由能与熵的变化在建立超导体能隙中起什么作用？

主要发现

• 超导体能隙的温度依赖性源于相变过程中电子吉布斯自由能与熵的热力学变化。
• 临界磁场 Hc(T) 在数值上等于温度 T 下的能隙，建立了直接的物理联系。
• 实验数据表明，能隙与临界温度之比随超导体的化学结构而变化。
• 由于其特定的化学结构，汞中的能隙预测在约 0.21 K 处达到极大值。
• 铅中的能隙预测在约 0.11 K 处达到极大值，反映出其独特的电子与结构特性。
• 该模型将超导体淬火解释为：当外部磁场填满能隙时，正常金属导带重新激活。