Методы решения физико-математических задач

Уравнения Гинзбурга - Ландау (ГЛ)

Уравнения Гинзбурга - Ландау
Уравнения Гинзбурга Ландау и их простейшие исследования. Безразмерные уравнения ГЛ. Вывод уравнения вариацией функционала. Калибровочная инвариантность.
()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\sh}{sh} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\ch}{ch} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\div}{div} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\rot}{rot} )()

Сводные данные (постоянные и уравнения)

Примечание.
Под полем H здесь и далее подразумевается истинное микроскопическое магнитное поле.
Носителем зарядов считаются куперовские пары – то есть два электрона. Заряд пары равен 2e ,  масса 2m ,  где e – заряд электрона; 2m – эффективная масса куперовской пары;

Параметры


Φ0  = πce = 2  2   πλ 2ϰHc – квант потока;
λ 2  = mc 2b8πe 2  | a |  = mc 24πnse 2 – глубина проникновения магнитного поля (λ);
ξ 2  =  24m | a |  – длина когерентности (ξ);
ϰ = λ / ξ,  ϰ 2  = m 2c 2b2π 2e 2 – параметр Гинзбурга – Ландау;
ns  = 2 | a | b – концентрация сверхпроводящих электронов;
H 2c  = 4πa 2b = 12(Φ02πλξ  ) 2 – критическое магнитное поле (Hc).

Уравнения Гинзбурга – Ландау


(1)   Gs  = Gn  + a | ψ |  2  + b2  | ψ |  4  + 14m| – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  | 2  + H 28π – (H ⋅ H0 ) 4π  . 
(3)   14m( – iℏ∇ – 2ecA  ) 2ψ +  +  | ψ |  2  = 0 ;
(4)   rot rot A =  – i2πemc (ψ *  ∇ψ – ψψ *  )  – 8πe 2mc 2  | ψ |  2A . 
4πcjs  = rot rot A =  – i2πemc (ψ *  ∇ψ – ψψ *  )  – 8πe 2mc 2  | ψ |  2A . 
(5)   js  = – ie2m (ψ *  ∇ψ – ψψ *  )  – 2e 2mc  | ψ |  2A . 
Граничные условия.
(6)   (iℏ∇ψ + 2ec →Aψ  )n = 0 .

Уравнения с безразмерной волновой функцией


f  = b | a |     ψ – безразмерная волновая функция;
Gs  = Gn  + H 2c4π(–  |  f  |  2  +  |  f  |  4  + ξ 2| – i∇ f  – 2πΦ0 →Af  | 2)  + H 28π – (H ⋅ H0 ) 4π  . 
(16)   ξ 2( – i∇ – 2πΦ0A  ) 2  f  –   f  +  f  |  f  |  2  = 0 – первое уравнение ГЛ;
(22)   λ 2 rot rot A =  – iΦ04π ( f *  ∇ f  –  f ∇ f *  )  –  |  f  |  2A – второе уравнение ГЛ;
(23)   (i∇ f  + 2πΦ0Af  )  ⋅ n = 0 – граничные условия;
(24)   4πλ 2cjs  =  – iΦ04π ( f *  ∇ f  –  f ∇ f *  )  –  |  f  |  2A – плотность тока в магнитном поле (js).

Безразмерные уравнения


r = λr,  H = HcH,  A = λHcA,  js  = Hcλjs  . 
(1) 4π (Gs  – Gn ) H 2c = –  |  f  |  2  + 12  |  f  |  4  + | –  – 1f  – 1 2 Af  | 2  + H 22 – (H ⋅ H0 )  . 
(25)   ( –  – 1 – 1 2 A  ) 2  f  –   f  +  f  |  f  |  2  = 0 .
(26)   rotrotA =  – i 2 2ϰ – 1 ( f * f  –  ff *  )  –   |  f  |  2A ; 
(27)   ( – 1f  + 1 2 Af  )n = 0 ;
4πcjs  =  – i 2 2ϰ – 1 ( f * f  –  ff *  )  –   |  f  |  2A . 

Чтобы убрать квадратный корень, можно еще сделать замену A →  2 A .  Тогда единицей магнитного поля станет  2 Hc  . 
r = λr,  H =  2 HcH,  A =  2 λHcA . 
( –  – 1 – A  ) 2  f  –  f  +  f  |  f  |  2  = 0 .
rotrotA =  – i (2ϰ )  – 1 ( f * f  –  ff *  )  –  |  f  |  2A ; 
(ϰ – 1f  + Af  )n = 0 .

Теория Гинзбурга – Ландау

В.Л. Гинзбург и Л.Д. Ландау применили теорию фазовых переходов второго рода к сверхпроводимости, согласно которой свободную энергию можно разложить вблизи точки перехода по степеням параметра порядка. В качестве такого параметра они использовали волновую функцию сверхпроводящих электронов ψ .  Ее нормируют на плотность куперовских пар ns  = 2 | ψ |  2  .  По предположению плотность свободной энергии для сверхпроводника в магнитном поле определяется выражением:
(1)   Gs  = Gn  + a | ψ |  2  + b2  | ψ |  4  + 14m| – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  | 2  + H 28π – (H ⋅ H0 ) 4π  . 
Здесь H0 – внешнее магнитное поле, в котором находится сверхпроводник; H = rot A – микроскопическое поле в данной точке сверхпроводника; a – коэффициент, зависящий от температуры по закону a = α (T – TC )  ;  α,  b,  m – некоторые константы, связанные со сверхпроводящими свойствами; Gn – энергия Гиббса в нормальном состоянии; 2e – заряд куперовской пары; 2m – ее эффективная масса.
При заданном внешнем поле и токах сверхпроводящих электронов, минимумом обладает термодинамический потенциал с плотностью магнитной энергией H 28π  .  Но если задать только внешнее магнитное поле H0  ,  как в нашем случае, то минимален потенциал с H 28π – (H ⋅ H0 ) 4π  . 

Интегрируя (1) по объему, получим полную свободную энергию Гиббса сверхпроводника в виде функционала, который называют функционалом Гинзбурга – Ландау:
(2)   Gs  = Gs  dV = 
Gn  + {a | ψ |  2  + b2  | ψ |  4  + 14m| – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  | 2  + H 28π – (H ⋅ H0 ) 4π  }  dV . 

Варьируя в (2) волновую функцию ψ и потенциал A ,  можно получить уравнения Гинзбурга – Ландау (см. задачу 3.1):
(3)   14m( – iℏ∇ – 2ecA  ) 2ψ +  +  | ψ |  2  = 0 ;
(4)   rot rot A =  – i2πemc (ψ *  ∇ψ – ψψ *  )  – 8πe 2mc 2  | ψ |  2A . 
Уравнение (4) представляет собой хорошо известное уравнение Максвелла
js  = c4π rot rot A = c4π rot H
с плотностью тока в магнитном поле
(5)   js  = – ie2m (ψ *  ∇ψ – ψψ *  )  – 2e 2mc  | ψ |  2A . 

Граничные условия зависят от рассматриваемой задачи.
На границе раздела, за которой сверхпроводящее состояние невозможно, граничное условие для волновой функции следующее:
(6)   (iℏ∇ψ + 2ec →Aψ  )n = 0 ,
где n – единичный вектор, нормальный к поверхности сверхпроводника. Микроскопический анализ показывает, что такие условия выполняются лишь для контакта сверхпроводник – диэлектрик. Для контакта сверхпроводник – нормальный металл более точные граничные условия имеют вид
(7)   ( – iℏ∇ – 2ecA  ) →nψ = iμψ . 
Граничные условия для векторного потенциала A заключаются в том, что вектор магнитного поля H = rot A непрерывен на границе раздела:
(8)   H = H0  . 

Для бесконечно протяженных сверхпроводников, граничные условия получаются из свойств системы на бесконечном удалении от границы фазового перехода:
обращение волновой функции в нуль ψ = 0 в нормальной фазе
и обращение в нуль сверхпроводящего тока электронов js  = 0 в сверхпроводящей.

При отсутствии магнитного поля для пространственно однородных задач уравнение (3) примет вид
 +  | ψ |  2  = 0 ,
откуда
(9)    | ψ |  2  = ns2 = – ab  . 
И мы получаем важное соотношение, позволяющее выразить равновесную концентрацию сверхпроводящих электронов через параметры a и b  : 
(10)   ns  = – 2 ab  . 
Когда температура равна критической (T = Tc )  ,  плотность сверхпроводящих электронов равна нулю ns  = 0 . Это означает, что a → 0 при T → T0  .  Параметр a можно разложить в ряд по степеням Tc  – T .  Оставляя только линейный член, имеем:
(11)   a = α (T – Tc )  . 
Параметр b вблизи Tc остается постоянным. Можно показать также, что a < 0,  b > 0 . Действительно, подставляя в плотность энергии Гиббса
Gs  = Gn  + a | ψ |  2  + b2  | ψ |  4
равновесное значение плотности куперовских пар  | ψ |  2  = – ab  ,  имеем:
(12)   Gs  = Gn  – 12a 2b  . 
Поскольку для перехода в сверхпроводящее состояние должно быть Gs  < Gn  ,  то заключаем, что b > 0 , а используя выражение (10), видим, что a < 0 , так как плотность сверхпроводящих электронов не отрицательна.

Теперь рассмотрим сверхпроводник, находящийся во внешнем магнитном поле H0  .  Слабое поле не проникает вглубь сверхпроводника, поэтому в нем H = 0 , и плотность энергии определяется из (12). Будем увеличивать поле, пока оно не достигнет критического значения Hc  ,  при котором произойдет переход в нормальное состояние. В нем ψ = 0,  H0  = Hc ,  H = Hc  ,  и из (1) получаем:
Gs  = Gn  – H 2c8π  . 
Сравнивая с (12), получаем важное равенство, связывающее критическое магнитное поле Hc с параметрами a и b  : 
(13)   H 2c  = 4πa 2b  . 

В слабом магнитном поле, полагаем в уравнении (3) A = 0 . Тогда оно имеет решение (9):
ψ =  | a | b    . 
Подставляя в (4), приходим к уравнению Лондонов:
rot rot A = – 8πe 2mc 2  | ψ |  2A ; 
rot rot A = – 1λ 2A
с глубиной проникновения магнитного поля
(14)   λ = mc 2b8πe 2  | a |    = mc 24πnse 2    . 

Перейдем к безразмерной функции f (r )  ,  выполняя линейную замену
(15)   ψ (r )  =  | a | b     f (r )   : 
(3)   14m( – iℏ∇ – 2ecA  ) 2ψ +  +  | ψ |  2  = 0 ;
14m( – iℏ∇ – ℏ 2πeπcA  ) 2  f  + af  +  | a |   f   |  f  |  2  = 0 ;
(16)   ξ 2( – i∇ – 2πΦ0A  ) 2  f  –   f  +  f  |  f  |  2  = 0 .
Здесь Φ0  = πce – квант потока.
Параметр
ξ =  24m | a |   
имеет размерность длины и носит название длины когерентности. Он определяет характерные расстояния изменения волновой функции в отсутствии магнитного поля (тогда можно положить A = 0).

С помощью λ и ξ вводят очень важную величину – параметр Гинзбурга – Ландау:
(17)   ϰ = λ / ξ . 

Зависимость параметров от температуры

Согласно феноменологической теории фазовых переходов второго рода, разработанной Л.Д. Ландау, параметры a и b можно разложить в ряд по степеням T – Tc  .  Отбрасывая не существенные члены, полагают, что параметр a линейно зависит от температуры, а параметр b является постоянной:
(18)   a = α (T – Tc )    при   T → Tc  , 
где α – константа.

Эту зависимость удобно представить так:
(19)   a = a0( 1 – TTc  )  , 
где a0 – некоторый коэффициент, который, в общем случае, не равен параметру a при нулевой температуре.

Тогда, используя (19), получаем зависимости от температуры других параметров теории ГЛ при T → T0   : 
a = a0( 1 – TTc  )  ; 
b = const ; 
ξ =  24m | a |    = ξ0( 1 – TTc  ) – 1 / 2  ; 
λ = mc 2b8πe 2  | a |    = λ0( 1 – TTc  ) – 1 / 2  ; 
ϰ = const ; 
ns  = – 2 ab = ns0( 1 – TTc  )  ; 
Hc  =  4πa 2b   = Hc0( 1 – TTc  )  . 
Здесь a0 ,  ξ0 ,  λ0 ,  ns0 ,  Hc0 – коэффициенты, которые в общем случае не равны значениям при T = 0 .

Чтобы иметь возможность определять значения параметров во всем интервале температур 0 < T ≤ Tc  ,  применяют следующие эмпирические зависимости:
(20)   Hc (T )  = Hc (0 ) [ 1 – (TTc  ) 2  ]  ; 
(21)   λ (T )  = λ (0 ) [ 1 – (TTc  ) 4  ] – 1 / 2  . 

Величины Tc и Hc (0 )  для некоторых металлов приведены в таблице 1.1; величины λ (0 )  – в приводимой ниже таблице 3.1.

Таблица 3.1
Элемент λ (0 )  ,  A
Al 500
Cd 1300
Hg 380 - 450
(анизотропия)
In 640
Nb 470
Pb 390
Sn 510

Безразмерные уравнения ГЛ

В уравнения Гинзбурга – Ландау входит довольно много постоянных. Однако их число можно сократить, если сделать некоторые подстановки.

Для начала введем безразмерную волновую функцию f   : 
ψ (r )  =  | a | b     f (r )  . 
Тогда уравнение (3), как показано выше, примет вид
(16)   ξ 2( – i∇ – 2πΦ0A  ) 2  f  –   f  +  f  |  f  |  2  = 0 .
Уравнение (4), граничные условия (6) и плотность тока (5) преобразуются так.
(4)   rot rot A =  – i2πemc (ψ *  ∇ψ – ψψ *  )  – 8πe 2mc 2  | ψ |  2A ; 
rot rot A =  – i8πe 2  | a |  ⋅ πcmc 2b ⋅ 4πe ( f *  ∇ f  –  f ∇ f *  )  – 8πe 2  | a | mc 2b  |  f  |  2A ; 
rot rot A =  – iΦ04πλ 2 ( f *  ∇ f  –  f ∇ f *  )  – 1λ 2  |  f  |  2A ; 
(22)   λ 2 rot rot A =  – iΦ04π ( f *  ∇ f  –  f ∇ f *  )  –  |  f  |  2A . 
(6) (iℏ∇ f  + 2ec →Af  )n = 0 ;
(i∇ f  + 2πeπc →Af  )n = 0 ;
(23)   (i∇ f  + 2πΦ0Af  )  ⋅ n = 0 .
(5)   js  = – ie2m (ψ *  ∇ψ – ψψ *  )  – 2e 2mc  | ψ |  2A ; 
js  =  – i8πe 2  | a | mc 2b ⋅ c4π ⋅ πc4πe ( f *  ∇ f  –   f ∇ f *  )  – 8πe 2  | a |  ⋅ cmc 2b ⋅ 4π  |  f  |  2A ; 
(24)   4πλ 2cjs  =  – iΦ04π ( f *  ∇ f  –  f ∇ f *  )  –  |  f  |  2A . 

За единицу длины возьмем λ ;  за единицу магнитного поля Hc  .  Перейдем к безразмерным величинам, которые будем обозначать подчеркиванием символов. Делаем подстановки:
r = λr,  H = HcH,  A = λHcA . 
Преобразуем (16), (22), (23) и (24).
(16)   ξ 2( – i∇ – 2πΦ0A  ) 2  f  –   f  +  f  |  f  |  2  = 0 ;
( – iξλ – 2πξλHcΦ0A  ) 2  f  –   f  +  f  |  f  |  2  = 0 ;
(25)   ( –  – 1 – 1 2 A  ) 2  f  –   f  +  f  |  f  |  2  = 0 .
(22)   λ 2 rot rot A =  – iΦ04π ( f *  ∇ f  –  f ∇ f *  )  –  |  f  |  2A ; 
λ 2λHcλ 2rotrotA =  – iΦ0ξ2 ⋅ 2πλξ ( f * f  –  ff *  )  – λHc  |  f  |  2A ; 
λHcrotrotA =  – i 2 2Hcξ ( f * f  –  ff *  )  – λHc  |  f  |  2A ; 
(26)   rotrotA =  – i 2 2ϰ – 1 ( f * f  –  ff *  )  –   |  f  |  2A ; 
(23)   (i∇ f  + 2πΦ0Af  )  ⋅ n = 0 ;
(λf  + 2πΦ0ξλHcAf  )n = 0 ;
(27)   ( – 1f  + 1 2 Af  )n = 0 .

Задачи с решениями

Задача 3.1. Вывод уравнения ГЛ

Получить уравнение (3) с граничными условиями, варьируя комплексно-сопряженную волновую функцию ψ *  в выражении для свободной энергии Гиббса.

Решение

Свободная энергия определяется функционалом:
(2)   Gs  = Gs  dV = Gn  + aψψ *   dV + b2ψ 2 (ψ *  )  2  dV + 
14m( – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  )  ⋅ (iℏ∇ψ *   – 2ec →Aψ *   )  dV + 
(rot A )  28π  dV – 14π (H0  ⋅ rot A )  dV . 
В равновесном состоянии это выражение должно иметь минимальное значение. Заменим ψ *  (r )  на ψ *  (r )  + δψ *  (r )  ,  где δψ *  (r )  – достаточно малая произвольная функция. В экстремуме выражение для свободной энергии, при такой замене, не должно содержать членов, линейных по δψ *  (r )  .  Найдем приращение функции Gs  . 
ΔGs  = Gn  + aψ (ψ *   + δψ *  )  dV + b2ψ 2 (ψ *   + δψ *  )  2  dV + 
14m( – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  )  ⋅ (iℏ∇(ψ *   + δψ *  )  – 2ecA (ψ *   + δψ *  ) )  dV + 
(rot A )  28π  dV – 14π (H0  ⋅ rot A )  dV – 
Gn  – aψψ *   dV – b2ψ 2 (ψ *  )  2  dV – 
14m( – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  )  ⋅ (iℏ∇ψ *   – 2ec →Aψ *   )  dV – 
(rot A )  28π  dV + 14π (H0  ⋅ rot A )  dV . 
Отсюда, опуская члены квадратичные по δψ *   ,  имеем:
ΔGs  = aψδψ *   dV + bψ 2ψ * δψ *   dV + 
i4m( – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  )  ⋅  (∇δψ *  )  dV – 14m( – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  )  ⋅ 2ec →Aδψ *   dV = 0 .
Третье слагаемое интегрируем по частям:
( – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  ) (∇δψ *  )  dV = 
  ÷ [( – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  )δψ *   ]  dV – [ ∇( – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  )  ]δψ *   dV . 
Преобразуем объемный интеграл в первом слагаемом в поверхностный. Согласно теореме Гаусса, получим:
ΔGs  = aψδψ *   dV + bψ 2ψ * δψ *   dV + 
i4m( – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  )n  ⋅ δψ *   dSn  + 14m[ – iℏ∇( – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  )  ]  ⋅ δψ *   dV – 
14m2ecA( – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  )  ⋅ δψ *   dV = 
{14m(iℏ∇ψ + 2ec →Aψ  ) 2  +  +  | ψ |  2  }δψ *   dV + 
i4m( – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  )n  ⋅ δψ *   dSn  = 0 .
Поскольку δψ *  произвольно, то должны выполняться равенства:
14m(iℏ∇ψ + 2ec →Aψ  ) 2  +  +  | ψ |  2  = 0 ;
(iℏ∇ψ + 2ec →Aψ  )n  = 0 .

Задача 3.2. Калибровочная инвариантность

Показать, что при калибровочном преобразовании A = A + ∇φ волновая функция умножается на фазовый множитель
ψ = ψ exp (i2ec  φ  )  . 

Решение

Так как уравнения ГЛ получаются варьированием интеграла (2), то достаточно показать инвариантность этого выражения относительно указанной замены. Для первого и второго слагаемого это очевидно, поскольку
 | ψ |  2  = ψψ *   = ψei2ec  φ  ψ * e – i2ec  φ  = ψψ *  =  | ψ |  2  . 
Для четвертого и пятого слагаемых это также легко видеть
H = rot A = rot (A + ∇φ )  =  rot A + rot ∇φ = rot A + 0 = H . 
Для третьего члена
ψ = ∇(ψei2ec  φ  )  =  (∇ψ ) ei2ec  φ  + i2ec (∇φ ) ψei2ec  φ  = ( ∇ψ + i2ec (∇φ ) ψ  )ei2ec  φ  . 
Далее
| – iℏ∇ψ – 2ec →Aψ  | 2  = 
| – i(( ∇ψ + i2ec (∇φ ) ψ  )ei2ec  φ  )   – 2ec (A + ∇φ ) ψei2ec  φ  | 2  = 
|( – iℏ∇ψ + 2ec (∇φ ) ψ  )  – 2ec (A + ∇φ ) ψ  | 2  = | – iℏ∇ψ – 2ecA  | 2  . 
Инвариантность доказана.

Задача 3.3

Свинцовый цилиндр находится при температуре 4,2 К в слабом однородном магнитном поле, параллельном его оси. Поле на поверхности цилиндра H0  = 300 э. Найти плотность W магнитной энергии в свинце на расстоянии x = 300 Å от поверхности цилиндра (диаметр цилиндра много больше глубины проникновения магнитного поля).

Решение

По формуле (20), описывающей зависимость критического магнитного поля от температуры, используя значения Tc и Hc (0 ) , находим величину критического магнитного поля при заданной температуре:
Hc (T )  = Hc (0 ) [ 1 – (TTc  ) 2  ]  = 528 э.
Считаем заданное поле H0  = 300 э слабым. Тогда его влиянием на волновую функцию можно пренебречь, полагая ее значение постоянной величиной. Для безразмерной волновой функции f  = 1 . Тогда второе уравнение ГЛ (22) приводит ко второму уравнению Лондонов:
H – λ 2d 2Hdx 2 = 0 .
То есть величина магнитного поля зависит от расстояния x до поверхности сверхпроводника по экспоненциальному закону:
H (x )  = H0e – x / λ  . 

Плотность магнитной энергии
W = H 2  / 8π = H 20e – 2xλ (T )  / 8π . 
Зависимость глубины проникновения λ от температуры T определяется формулой (21). Значение λ (0 )  берем из таблицы 3.1.
λ (4,2 )  = 415 Å
Для плотности энергии получаем
W = 844 эрг/см3.

Задача 3.4

Критическая температура свинца равна 7,18 К. Во сколько раз глубина проникновения магнитного поля λ при температуре T = 7,10 К больше, чем глубина проникновения при T = 4,20 К? Оценить плотность сверхпроводящих электронов при температуре T = 7,10 К.

Решение

Во всем диапазоне температур λ (T )  хорошо аппроксимируется формулой (21), откуда получим
λ (7,10 ) λ (4,20 )  = 4,49 .

Используя результаты теории ГЛ, получим плотность сверхпроводящих электронов при температуре 7,10 К:
ns  = 2  | a | b  ; 
λ 2  = mc 2b8πe 2  | a |   ; 
ns  = 2 mc 28πe 21λ 2 = mc 24πe 2λ 2 (0 )  1 – (TT0  ) 4   =  8,06 ⋅ 10 20 см-3.

Использованная литература:
О.Г. Одинцов, Е.А. Пушкарев, Методические указания к решению задач по физике сверхпроводников, Харьков, ХГУ, 1989.
Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский, Статистическая физика. Часть 2. Теория конденсированного состояния, Москва, Физматлит, 2002.

Авторы: Олег Одинцов, Евгений Пушкарев.     Опубликовано: 12-07-2023

Меню