[论文解读] Uniformly Frustrated XY Model: Strengthening of the Vortex Lattice by Intrinsic Disorder

Ilaria Maccari|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 48被引用 11

一句话总结

本研究通过在二维均匀受挫XY模型上进行蒙特卡洛模拟，表明在横向磁场下的超导薄膜中，本征无序性可增强涡旋晶格对热涨落的抵抗能力。与预期相反，强无序性抑制了磁场对超导临界温度（Tc）的抑制效应，恢复了实验中观测到的Tc(H)依赖关系，并增强了涡旋晶格的稳定性。

ABSTRACT

In superconducting films, the role of intrinsic disorder is typically to compete with superconductivity by fragmenting the global phase coherence and lowering the superfluid density. Nonetheless, when a transverse magnetic field is applied to the system and an Abrikosov vortex lattice form, the presence of disorder can actually strengthen the superconducting state against thermal fluctuations. By means of Monte Carlo simulations on the uniformly frustrated XY model in two dimensions, we show that while for weak pinning the superconducting critical temperature Tc increases with the applied field H, for strong enough pinning, the experimental decreasing dependence between Tc and H is recovered with a resulting more robust vortex lattice.

研究动机与目标

• 研究在横向磁场下，本征无序性与超导薄膜中涡旋晶格稳定性之间的相互作用。
• 解决一个悖论：尽管无序通常会抑制超导性，但在特定条件下却能增强涡旋晶格的鲁棒性。
• 调和理论预测与实验观测之间的矛盾，即在无序超导体中观察到Tc(H)呈现非单调依赖关系。
• 阐明淬火无序在有限磁通存在下，对涡旋晶格抵抗热涨落稳定性的作用。

提出的方法

• 在L = 64的二维正方形晶格上进行模拟，采用具有周期性边界条件的均匀受挫XY模型。
• 哈密顿量包含随机耦合（Jµi）以模拟淬火无序，以及通过最小耦合引入的相位偏移（Fµi），对应于均匀横向磁场。
• 采用库仑规范，矢势A = B(0, x)，从而得到y键上的Fµi = 2πf x_i，其中f = H/Φ₀为每个元胞的磁通量。
• 通过自由能对微小规范扭曲的二阶导数计算超流刚度Jₛ^µ，作为超导性的序参量。
• 采用混合蒙特卡洛算法，每步包含5次梅特罗波利斯更新和10次超松弛扫掠，并使用模拟退火法进行热化。
• 清洁体系的平均结果基于5次独立运行，无序体系的平均结果基于10次无序实现，热化25,000步后开始测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在横向磁场存在下，本征无序如何影响超导临界温度Tc？
• RQ2 为何在无序超导体中，Tc(H)依赖关系通常随H增加而减小，与直观预期相反？
• RQ3 尽管无序倾向于破坏相位相干性，它能否仍能稳定涡旋晶格以抵抗热涨落？
• RQ4 涡旋晶格的形成在提供本征钉扎中起什么作用，其与淬火无序如何相互作用？
• RQ5 无序的存在是否会导致Tc(H)呈现非单调行为？若会，其发生条件为何？

主要发现

• 在弱钉扎情况下，随着磁场H增加，Tc反而上升，与典型实验趋势相反，表明存在反直觉的稳定效应。
• 在强无序条件下，系统恢复了实验中观测到的Tc随H减小的依赖关系，表明恢复了真实行为。
• 与弱无序区域相比，强无序区域中超流刚度Jₛ的抑制程度更小，表明对热涨落的鲁棒性增强。
• 涡旋晶格基态即使在无外部无序时也具有本征钉扎特性，而本征非均匀性进一步增强了其对热熔化的抵抗能力。
• 当无序较强时，临界温度Tc对磁场增加的耐受性更强，表明无序可在涡旋晶格相中起到稳定剂作用。
• 结果支持一个观点：在混合相中，适度水平的无序对稳定超导态至关重要，与薄膜中的实验观测一致。