[论文解读] Transition from Type-I to Type-II Superconducting Behaviour with Temperature observed by $μ$SR and SANS

Christof M. Aegerter, H. Keller+11 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2003

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究展示了在铋掺杂铅中，温度驱动的从I型到II型超导行为的转变，其中吉兹堡-朗道参数κ穿过临界值1/√2。通过μSR和SANS技术，作者观察到在转变温度T^{I-II}附近中间态与混合态共存，由于畴界面面积最大，散射强度在T^{I-II}处达到峰值，并通过表面能长度δ = 10 nm（远小于相干长度ξ）验证了朗道理论的预测。

ABSTRACT

We investigate the superconducting behaviour of Bi doped Pb. Pure lead shows type-I behaviour entering an intermediate state in a magnetic field. High dopings of Bi ($>$3%) lead to type-II behaviour showing a mixed state, where the magnetic field penetrates the superconductor in the form of a flux lattice. At intermediate doping, the sample shows both type-I and type-II behaviour depending on the temperature. This arises because the Ginzburg-Landau parameter $κ$ passes through its critical value of $1/\sqrt{2}$ with temperature.

研究动机与目标

• 研究铋掺杂铅中I型与II型超导行为随温度变化的转变特性。
• 确定吉兹堡-朗道参数κ穿过1/√2临界值的条件，从而触发超导相行为的改变。
• 利用互补技术观察并表征在多临界点T^{I-II}附近的中间态与混合态共存现象。
• 通过SANS测量的畴尺寸与界面面积，验证朗道理论对中间态畴结构的预测。

提出的方法

• 利用μSR测量磁场响应的温度依赖性，以表征局部磁场并确定临界场Bc和Bc2。
• 利用小角中子散射（SANS）探测中间态中的畴结构，分析散射强度与回转半径。
• 应用两流体模型，从λ(T)和ξ(T)计算Bc(T)与Bc2(T)，其中λ⁻²(T) = λ⁻²(0)(1 - (T/Tc)⁴)，且Bc(T) = Bc(0)(1 - (T/Tc)²)。
• 利用关系式Bc/Bc2(T) = 1/(√2κ₀)(1 + (T/Tc)²)确定κ的比值，从而计算出Bc = Bc2的T^{I-II}温度点。
• 将SANS数据拟合以提取回转半径，并利用朗道表达式将其与畴间距关联。
• 调整表面能长度δ与库恩链段长度（≈λ），使观测到的畴尺寸与朗道理论预测一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在铋掺杂铅中，超导行为从I型向II型转变的温度是多少？这一转变由什么决定？
• RQ2 中间态与混合态的共存如何影响SANS中的散射强度以及μSR中的局部磁场分布？
• RQ3 表面能长度δ在决定中间态中畴尺寸方面起什么作用？其与相干长度ξ相比如何？
• RQ4 SANS测量的畴界面面积与回转半径在多大程度上与朗道理论对中间态的预测一致？
• RQ5 为何在此体系中测得的表面能长度δ远小于相干长度ξ？

主要发现

• 转变温度T^{I-II}被确定为多临界点，此时超导转变由一级相变变为二级相变，且满足Bc(T) = Bc2(T)。
• SANS显示在T^{I-II}处散射强度出现尖锐峰值，表明由于中间态与混合态共存，正常相与超导相畴之间的界面面积达到最大。
• 仅当假设表面能长度δ = 10 nm时，SANS测得的回转半径才与朗道理论预测一致，该值远小于相干长度。
• μSR测量结果确认了临界场Bc(T)，并在T^{I-II}处揭示了清晰的相变行为，与两流体模型及SANS结果一致。
• 共存区域较窄，随着磁场升高，散射强度下降，这是由于系统更倾向于混合态，导致畴结构减弱。
• 只有当δ = 10 nm时，SANS数据与朗道理论预测才达成一致，该值在物理上是合理的，因为κ值非常接近1/√2。