[论文解读] Vortex nucleation barriers and stable fractional vortices near boundaries in multicomponent superconductors

Andrea Maiani, Andrea Benfenati+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 51被引用 11

一句话总结

本文利用规范弦方法，在两组分吉兹堡-朗道模型中计算瞬子构型，研究了多组分超导体中的涡旋产生势垒与稳定的分数涡旋。研究发现，组分间耦合导致多个瞬子及亚稳态中间构型，破坏了传统的Bean-Livingston势垒图像，并使得边界附近可形成分数涡旋。

ABSTRACT

The magnetization process of a superconductor is determined by the potential barrier for vortex nucleation and escape. In multicomponent superconductors, fractional vortices with a winding in the phase of only one of the components can be stable topological solitons that carry a fraction of the flux quantum. While the formation of such objects in the bulk costs logarithmically or linearly divergent energy, these objects were shown to be stable near samples' boundaries in the two-component London model. Therefore, the conventional Bean-Livingston picture of magnetic flux entry does not apply to these superconductors, since the entry process can involve fractionalization of a vortex. In this paper, we address the nonlinear problem of determining the potential barrier for fluxoid penetration in a multicomponent superconductor, including the effects of various intercomponent couplings, by using the recently developed gauged string method. The method allows numerically exact (i.e., convergent) calculation of a sphaleron configuration in a gauge theory and thus the height of the nucleation barrier. We show how the fractionalized nucleation processes result in multiple sphalerons and intermediate states due to the complex shape of the energy landscape of multicomponent superconductors.

研究动机与目标

• 理解多组分超导体中组分间耦合如何超越单组分Bean-Livingston模型，改变涡旋产生势垒。
• 研究由于拓扑与电磁效应，在样品边界附近出现稳定分数涡旋的机制。
• 开发并验证一种在具有U(1)×U(1)对称性的规范理论中计算瞬子构型的数值收敛方法。
• 分析相位锁定与约瑟夫森耦合在塑造能谷结构及实现多重产生路径中的作用。

提出的方法

• 使用规范弦方法，在具有U(1)×U(1)规范对称性的两组分吉兹堡-朗道模型中，计算最小能量路径与瞬子构型。
• 采用规范不变的公式，数值求解完整的非线性吉兹堡-朗道方程，以确保收敛性。
• 在两个序参量之间引入线性约瑟夫森耦合（η）与密度耦合（γ），以模拟真实的组分间相互作用。
• 计算能谷结构并识别对应于涡旋产生势垒的鞍点（瞬子）。
• 分析仅在一个组分中具有分数绕数的涡旋构型，重点关注其在边界附近的稳定性。
• 通过在伦敦极限下重现已知结果，并推广至完整的吉兹堡-朗道动力学，验证该方法的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 多组分超导体中组分间耦合如何改变涡旋产生势垒，相较于单组分情况？
• RQ2 在两组分超导体中，边界附近分数涡旋的稳定性由什么因素决定？
• RQ3 规范弦方法能否准确计算具有非阿贝尔类复杂性的多组分规范理论中的瞬子构型？
• RQ4 对边界存在的竞争吸引与排斥作用如何在涡旋进入过程中产生多个中间态？
• RQ5 多个瞬子的存在如何影响磁通渗透过程？

主要发现

• 由于组分间与边界之间的竞争作用，多组分超导体中的涡旋产生过程表现出多个瞬子及亚稳态中间构型。
• 即使在体相中热力学上不稳定，稳定的分数涡旋（携带少于一个磁通量子）仍可在边界附近形成。
• 能谷结构高度复杂，其能量对涡旋接近距离呈现非单调依赖，导致产生路径中出现多个局部极大值。
• 规范弦方法实现了在规范理论中对瞬子构型的数值收敛计算，克服了先前方法的局限性。
• 分数涡旋的产生由表面电流与组分间耦合之间的竞争决定，其中约瑟夫森项（η）在稳定边界束缚态中起关键作用。
• 传统的Bean-Livingston势垒模型不适用于多组分系统，因为涡旋进入可通过分数化与中间构型实现。