Методы решения физико-математических задач

Одномерные уравнения ГЛ и первый интеграл

Одномерные уравнения Гинзбурга Ландау
Получение уравнений Гинзбурга Ландау в одномерном случае для однородного и бесконечно протяженного сверхпроводника, когда все физические величины зависят от одной координаты x. Граничные условия; первый интеграл.
()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\sh}{sh} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\ch}{ch} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\div}{div} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\rot}{rot} )()

Основные результаты

Рассмотрим бесконечно протяженный сверхпроводник, помещенный во внешнее магнитное поле →H0  = (0, 0, H0 )  .  Пусть справа, при x →  + ∞ расположена сверхпроводящая фаза, а слева – нормальная. И пусть все физические величины зависят только от координаты x.
1. Решение уравнений Гинзбурга-Ландау описывается двумя действительными функциями  f (x )  и Ay (x )  ,  которые определяют безразмерную волновую функцию  f  =  f (x )  ,  ψ = √  | a | b     f  ,  векторный потенциал →A = (0, Ay (x ) , 0 )  ,  магнитное поле →H = (0, 0, A ′y(x ) )  ,  а также плотность тока сверхпроводящих электронов →js  = c4π rot →H = (0, jsy , 0 )  , 
jsy  = – c4π A ′′y(x )  =  – c4πλ 2   f  2 (x )  Ay (x )  . 
2. Неизвестные функции удовлетворяют следующим уравнениям:
(14)   – ξ 2  f  ′′(x )  + ( 2πξΦ0   )  2 A 2y (x )   f (x )  –   f (x )  +  f  3 (x )  = 0 ;
(13)   λ 2 A ′′y(x )  =  f  2 (x )  Ay (x )  , 
где Φ0  = πℏce  – квант потока,   λ = √ mc 2 b8πe 2  | a |     – глубина проникновения магнитного поля,
0 ≤  f (x )  ≤ 1,   – ∞ < Ay (x )  ≤ 0 .
3. Граничные условия.
При x →  + ∞,   f (x )  → 1,  Ay (x )  → 0 .
3.1. Если сверхпроводник не имеет границы, то при x →  – ∞,   f (x )  → 0,  A ′y(x )  → H0  . 
Поскольку уравнения не содержат x явно, то решение имеет вид  f  =  f (x – C ) ,  Ay  = Ay (x – C )  ,  где C – постоянная. Поэтому нужно задать значение этой постоянной, наложив условие в конечной точке, например  f (0 )  = 1 / 2 .
3.2. Если сверхпроводник ограничен диэлектриком при x = 0 , то
 f  ′(0 )  = 0,  A ′y(0 )  = H0  . 

Безразмерные уравнения и первый интеграл

Если выполнить подстановки x = λx,  →H = Hc →H,  →A = λHc →A , 
то получим безразмерные уравнения (дифференцирование по x):
(14*)    f  ′′ = ϰ 2 [ ( A 2y 2 – 1  )  f  +  f  3  ]  ; 
(13*)   A ′′y =  f  2 Ay  ; 
0 ≤  f (x )  ≤ 1,   – ∞ < Ay (x )  ≤ 0 .
Здесь  f  = √ b | a |     ψ ,    λ = √ mc 2 b8πe 2  | a |     ,    Hc  = √ 4π a 2 b    .    ϰ = λ / ξ . 
Плотность потока сверхпроводящих электронов:
→js  = Hc λ →js  ,    jsy  = – c4π  f  2 (x )  Ay (x )  . 
Эти уравнения имеют интеграл
(21)   2ϰ – 2  f  ′ 2 + (2 – A 2y )  f  2  –  f  4  + A ′ 2 =  C1  = 1 .
Граничные условия.
При x →  + ∞,   f (x )  → 1,  Ay (x )  → 0 .
Если сверхпроводник не имеет границы, то
при x →  – ∞,   f (x )  → 0,  A ′y(x )  → H0  / Hc  . 
Также нужно наложить условие в конечной точке, например  f (0 )  = 1 / 2 .
Если сверхпроводник ограничен диэлектриком при x = 0 , то
 f  ′(0 )  = 0,  A ′y(0 )  = H0  / Hc  . 

Вывод уравнений

Рассмотрим бесконечно протяженный сверхпроводник, помещенный во внешнее магнитное поле, направленное вдоль оси z: →H0  = (0,  0,  H0 )  .  Рассмотрим уравнения Гинзбурга – Ландау для этого простого случая. Считаем, что все физические величины зависят только от координаты x. Пусть справа, при x →  + ∞ будет сверхпроводящее состояние, Тогда безразмерная волновая функция  f  → 1 при x →  + ∞ .  Слева, при x →  – ∞ – нормальная фаза.

Предположим, что в сверхпроводнике магнитное поле также направлено вдоль оси z:
(1)   →H = (0, 0, Hz (x ) )  . 
Если это не так, то мы получим несовместные уравнения.

Используем уравнения Гинзбурга-Ландау для безразмерной волновой функции  f  = √ b | a |     ψ  : 
(2)   ξ 2 ( – i∇ – 2πΦ0  →A  )  2  f  –   f  +  f  |  f  |  2  = 0   – первое уравнение ГЛ;
(3)   λ 2 rot rot →A =  – i Φ0 4π ( f  *  ∇ f  –  f ∇ f  *  )  –  |  f  |  2 →A   – второе уравнение ГЛ;
(4)   ( i∇ f  + 2πΦ0  →A f  )  ⋅ →n = 0   – граничное условие между сверхпроводником и диэлектриком.

Чтобы описать магнитное поле вида (1), достаточно положить Ax  = Az  = 0 . Тогда
(5)   →A = (0, Ay (x ) , 0 )  . 

Выражаем поле →H через потенциал →A . 
→H = rot A =  ( ∂Az ∂y – ∂Ay ∂z ,  ∂Ax ∂z – ∂Az ∂x ,    ∂Ay ∂x – ∂Ax ∂y  )  = (0, 0, A ′y(x ) )  ; 
→H = (0, 0, A ′y(x ) )  . 
Здесь штрих означает производную функции Ay (x )  по ее аргументу: A ′y(x )  = dAy dx  .  Далее находим:
rot rot →A = rot →H =  ( ∂Hz ∂y – ∂Hy ∂z ,  ∂Hx ∂z – ∂Hz ∂x ,    ∂Hy ∂x – ∂Hx ∂y  )  = (0,  – A ′′y(x ) , 0 )  ; 
rot rot →A = (0,  – A ′′y(x ) , 0 )  . 

Волновая функция может зависеть от x, y и z. При этом плотность сверхпроводящих электронов, пропорциональная  |  f  |  2  ,  зависит только от переменной x . 

Подставляя rot rot →A = (0,  – A ′′y(x ) , 0 )  и →A = (0, Ay (x ) , 0 )  во второе уравнение ГЛ, получаем три уравнения для x, y и z компонент.
(3)   λ 2 rot rot →A =  – i Φ0 4π ( f  *  ∇ f  –  f ∇ f  *  )  –  |  f  |  2 →A ; 
(6)   0 = – i Φ0 4π (  f  *  ∂ f ∂x –  f ∂ f  *  ∂x  )  – 0 ;
(7)   – λ 2 A ′′y(x )  =  – i Φ0 4π (  f  *  ∂ f ∂y –  f ∂ f  *  ∂y  )  –   |  f  |  2 Ay (x )  ; 
(8)   0 = – i Φ0 4π (  f  *  ∂ f ∂z –  f ∂ f  *  ∂z  )  – 0 .

Выразим комплексную функцию  f  через модуль φ и аргумент θ  : 
(9)    f  = φ (x ) e iθ (x,y,z )   , 
Где φ и θ – действительные функции. При этом  |  f  |  2  = φ 2 (x )  ,  как упоминалось выше, зависит только от переменной x . 

Подставим (9)  в  (6):
∂ f ∂x = ∂φ∂x e iθ  + iφ ∂θ∂x e iθ  ;    ∂ f  *  ∂x = ∂φ∂x e iθ  – iφ ∂θ∂x e iθ  ; 
(6)    f  *  ∂ f ∂x =  f ∂ f  *  ∂x  ; 
 f  *  ∂ f ∂x = φ ∂φ∂x + iφ 2 ∂θ∂x =   f ∂ f  *  ∂x = φ ∂φ∂x – iφ 2 ∂θ∂x  ; 
iφ 2 ∂θ∂x = – iφ 2 ∂θ∂x  ; 
φ 2 ∂θ∂x = 0 .
Но φ 2  ≠ 0 , поскольку она пропорциональна плотности сверхпроводящих электронов. Тогда ∂θ∂x = 0 . То есть θ не зависит от x . 

Аналогичным способом, из (8) заключаем, что θ не зависит от z .  То есть θ может быть функцией только от переменной y: θ = θ (y )  .  Таким образом, мы пришли к более простому виду функции  f   : 
(10)    f  = φ (x ) e iθ (y )   . 

Подставим (10) в (7).
(7)   – λ 2 A ′′y(x )  =  – i Φ0 4π (  f  *  ∂ f ∂y –  f ∂ f  *  ∂y  )  –   |  f  |  2 Ay (x )  ; 
∂ f ∂y = φ (x ) i ∂θ∂y e iθ (y )   ;    ∂ f  *  ∂y = – φ (x ) i ∂θ∂y e – iθ (y )   ; 
 f  *  ∂ f ∂y –  f ∂ f  *  ∂y =  φe – iθ φiθ ′e iθ  – φe iθ (– iφθ ′e – iθ )  =  2iφ 2 θ ′ ; 
– λ 2 A ′′y(x )  =  – i Φ0 4π 2iφ 2 (x ) θ ′(y )  – φ 2 (x ) Ay (x )  ; 
– λ 2 A ′′y(x )  =  2 Φ0 4π φ 2 (x ) θ ′(y )  – φ 2 (x ) Ay (x )  . 
Поскольку от переменной y зависит только слагаемое, содержащее θ ′(y )  ,  то θ ′(y )  может быть только постоянной. Обозначим ее как
ky  = θ ′(y )  . 
Тогда
(11)    f  = φ (x ) e iky y  , 
и предыдущее уравнение примет вид:
(12)   λ 2 A ′′y(x )  = φ 2 (x ) ( Ay (x )  – Φ0 2π ky  )  . 

Далее мы можем еще более упростить вид волновой функции (11), если выполним калибровочное преобразование, которое, как известно, не меняет уравнений ГЛ. Делаем подстановки.
→A = →~A + ∇χ ; 
 f  =  ~f exp ( i 2eℏc  χ  )  =   ~f exp ( i 2πΦ 0  χ  )  . 
Положим χ = Φ0 2π ky y ,  тогда
 f  = φ (x ) e iky y  =  ~f exp ( i 2πΦ 0  χ  )  =   ~fe iky y  ,  откуда
 ~f  = φ (x )  . 
То есть в качестве волновой функции можно взять вещественную величину, зависящую только от переменной x.

Для векторного потенциала имеем.
Ay  = ~Ay  + Φ0 2π ky  . 

Подставляем в (12) и опускаем знаки тильды.
(13)   λ 2 A ′′y(x )  =  f  2 (x ) Ay (x )  . 
Здесь  f (x )  – вещественная функция.

Подставим  f  =  f (x ) ,  →A = (0, Ay (x ) , 0 )  в первое уравнение ГЛ:
(2)   ξ 2 ( – i∇ – 2πΦ0  →A  )  2  f  –   f  +  f  |  f  |  2  = 0 ;
( – i∇ – 2πΦ0  →A  )  2  f  = 
 [ ( – i ∂∂x – 2πΦ0  Ax  )  2  +  ( – i ∂∂y – 2πΦ0  Ay  )  2  +  ( – i ∂∂z – 2πΦ0  Az  )  2  ]  f (x )  = 
 – ( ∂∂x  )  2  f  +  ( 0 – 2πΦ0  Ay (x )  )  2  f  + 0 =  –  f  ′′(x )  + ( 2πΦ0  Ay (x )  )  2  f (x )  ; 
(14)   – ξ 2  f  ′′(x )  + ( 2πξΦ0   )  2 A 2y (x )   f (x )  –   f (x )  +  f  3 (x )  = 0 .

Результат

Итак, для одномерного случая, когда все физические величины зависят только от координаты x, а внешнее магнитное поле направлено вдоль оси z, мы нашли следующее.
1. Безразмерная волновая функция  f  = √ b | a |     ψ является действительной функцией, зависящей только от координаты x:
(15)    f  =  f (x )  . 
2. Векторный потенциал описывается одной компонентой, зависящей от x:
(16)   →A = (0, Ay (x ) , 0 )  . 
Магнитное поле имеет только z компоненту, равную производной Ay (x )  по x:
(17)   →H = (0, 0, A ′y(x ) )  . 
3. Уравнения Гинзбурга-Ландау имеют следующий вид.
(14)   – ξ 2  f  ′′(x )  + ( 2πξΦ0   )  2 A 2y (x )   f (x )  –   f (x )  +  f  3 (x )  = 0 ;
(13)   λ 2 A ′′y(x )  =  f  2 (x )  Ay (x )  . 

Граничные условия

Не ограниченный сверхпроводник

Рассмотрим граничные условия для случая бесконечно протяженного, не ограниченного поверхностями сверхпроводника, помещенного во внешнее магнитное поле H0  .  Такой случай может быть полезен для исследования переходов между нормальной и сверхпроводящей фазами. Пусть сверхпроводящая фаза находится при x →  + ∞ ,  а нормальная, при x →  – ∞ . 

Уравнения (14), (13) второго порядка с двумя неизвестными функциями. Поэтому их решение должно содержать четыре постоянных, которые определяются из граничных условий.

1. Поскольку при x →  + ∞ имеется сверхпроводящая фаза, то  f (+ ∞ )  = 1 . Магнитное поле на бесконечности отсутствует. Поэтому A ′y(+ ∞ )  = 0 . Из (14) следует, что при этом Ay (+ ∞ )  = 0 . Также можно считать, что равны нулю все производные этих функций на бесконечности:  f  ′(+ ∞ )  = 0,   f  ′′(+ ∞ )  = 0,  A ′′y(+ ∞ )  = 0 , и т.д..
2. Поскольку при x →  – ∞ имеется нормальная фаза, то  f (– ∞ )  = 0 .
3. Поскольку сверхпроводник помещен во внешнее магнитное поле, то →H (– ∞ )  = (0, 0, H0 )  ; 
A ′y(– ∞ )  = H0  . 
Отсюда
(18)   Ay  = H0 x + C при x →  – ∞ ,  где C – постоянная.
4. Уравнения (14), (13) не содержат переменной x в явном виде. Поэтому их решения имеют вид  f  =  f (x – C ) ,  Ay  = Ay (x – C )  ,  где C – постоянная. Эту постоянную можно задать произвольным образом, зафиксировав границу перехода. Например, можно положить  f (0 )  = 1 / 2 . Или можно зафиксировать векторный потенциал, выбрав значение постоянной в (18). Например так:
Ay  = H0 x при x →  – ∞ . 

Мы получили больше четырех граничных условий, но не все они независимы. Часть из них следуют из самих уравнений, но их удобно применять в таком виде при построении решений.

Волновая функция заключена в пределах 0 ≤  f  ≤ 1 . При x →  – ∞ ее график выпуклый вниз и имеет асимптоту  f  = 0 . При x →  + ∞ график выпуклый вверх с асимптотой  f  = 1 .

Векторный потенциал: – ∞ < Ay  ≤ 0 . Функция Ay (x )  возрастает; график выпуклый вверх и имеет асимптоты Ay  = 0 при x →  + ∞ ,  и Ay  = H0 x + C при x →  – ∞ . 

Ограниченный сверхпроводник

Теперь рассмотрим сверхпроводник, ограниченный диэлектриком при x = 0 . Сверхпроводящая фаза располагается при x ≥ 0 . При x →  + ∞ граничные условия такие как и для неограниченного сверхпроводника:
 f (+ ∞ )  = 1,  Ay (+ ∞ )  = 0,   f  ′(+ ∞ )  = 0,  A ′y(+ ∞ )  = 0, . . . . 

Рассмотрим условия при x = 0 . Граничные условия для безразмерной волновой функции имеют вид:
( i∇ f  + 2πΦ0  →A f  )  ⋅ →n = 0 ,
где →n – вектор нормали поверхности. Подставляя сюда →n = (– 1, 0, 0 ) ,  →A = (0, Ay (x ) , 0 ) ,    f  =  f (x )  ,  находим:
(19)    f  ′(0 )  = 0 .

Положим, что намагниченность обусловлена только сверхпроводящими электронами. Тогда поле →H непрерывно на границе раздела. Из (17) получаем:
A ′y(0 )  = H0  . 

Безразмерные уравнения

Можно еще упростить уравнения, если перейти к безразмерным уравнениям, выполнив подстановки:
x = λx = √ mc 2 b8πe 2  | a |     x ;    ψ = √  | a | b     f  ; 
H = Hc H = √ 4π a 2 b   H ; 
A = λHc A = √ mc 2  | a | 2e 2     A . 

Тогда уравнения (14), (13) примут вид:
(14*)    f  ′′ = ϰ 2 [ ( A 2y 2 – 1  )  f  +  f  3  ]  ; 
(13*)   A ′′y =  f  2 Ay  . 
Здесь дифференцирование производится по безразмерной переменной x .  Граничные условия указаны выше.

Первый интеграл

Можно найти один из интегралов уравнений (14*) и (13*). Воспользуемся тем, что
(20)   d ( f  2 A 2y )  = A 2y df  2  +  f  2 dA 2y  =  2 fA 2y df  + 2 f  2 Ay dAy  . 
Из (14*) и (13*) имеем.
 fA 2y  = 2 f  – 2 f  3  + 2ϰ – 2  f  ′′ ; 
 f  2 Ay  = A ′′y . 
Заметим, что
 f  ′′ = df  ′dx = df  ′df  ⋅ df dx =   f  ′ ⋅ df  ′df  = 12 df  ′ 2df   ; 
A ′′y  = dA ′y dx = dA ′y dAy  ⋅ dAy dx =  A ′y  ⋅ dA ′y dAy  = 12 dA ′ 2y dAy   . 
Подставим в (20).
d ( f  2 A 2y )  = 2 fA 2y df  + 2 f  2 Ay dAy  =  2(2 f  – 2 f  3  + 2ϰ – 2  f  ′′ ) df  +  2A ′′ydAy  = 
 4 f df  – 4 f  3  df  +  4ϰ – 2  ⋅ 12 df  ′ 2df   df  +  dA ′ 2y dAy   dAy  =  2df  2  – df  4  + 2ϰ – 2  df  ′ 2 + dA ′ 2y  ; 
d ( f  2 A 2y )  =  d (2 f  2  –  f  4  + 2ϰ – 2  df  ′ 2 + dA ′ 2y )  ; 
d (2ϰ – 2  f  ′ 2 + (2 – A 2y )  f  2  –   f  4  + A ′ 2y )  = 0 .

Отсюда получаем интеграл:
2ϰ – 2  f  ′ 2 + (2 – A 2y )  f  2  –   f  4  + A ′ 2y  = C1  . 
Если справа – сверхпроводящая фаза, то при x →  + ∞,   f  → 1,  Ay  → 0 . Тогда C1  = 1 ;
(21)   2ϰ – 2  f  ′ 2 + (2 – A 2y )  f  2  –   f  4  + A ′ 2y  = 1 .

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: 05-08-2024

▲
Меню