141559264

WYKŁAD NOBLOWSKI 2003

Nadprzewodniki drugiego rodzaju i sieć wirów*

Aleksiej A. Abrikosow

Materials Science Division, Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois, USA

Type II superconductors and the vortex lattice

Nobel Lec turę, 8 December 2003, Stockholm

W roku 1950 Witalij Ł. Ginzburg i Lew D. Landau opublikowali swoją słynną pracę na temat teorii nadprzewodnictwa [1]. Za punkt wyjścia przyjęli ogólną teorię przejść fazowych drugiego rodzaju, opracowaną przez Landaua w roku 1937 [2]. W teorii tej Landau wprowadził pojęcie parametru porządku, wielkości, która ma skończoną wartość poniżej temperatury przejścia, natomiast równa jest zeru powyżej tej temperatury. Różne przejścia fazowe charakteryzowane są za pomocą różnych parametrów porządku, np. dla przejścia między stanami ferro- i paramagnetycznym taką wielkością jest spontaniczne namagnesowanie. W przypadku przejścia między stanem nadprzewodzącym i stanem normalnym nie było jednak wcale oczywiste, jaką wielkość fizyczną należy przyjąć za parametr porządku. Ginzburg i Landau z genialną intuicją wybrali pewien rodzaj funkcji falowej. W tym czasie nie znano jeszcze pojęcia par Coopera, tworzących kondensat Bosego-Einsteina, w którym wszystkie cząstki znajdują się w stanie spójnym, tzn. są opisane tą samą funkcją falową. Taki wybór par-rametru porządku umożliwił stworzenie nowej teorii, która potrafiła poradzić sobie z trudnościami, na jakie napotkała stara teoria Fritza i Heinza Londonów [3], przede wszystkim z występowaniem dodatniej energii powierzchniowej. Była ona także w^t stanie przewidzieć krytyczne wartości pól magnetycznych w^r cienkich warstwach, krytyczne natężenia prądów' w^r drutach o małych przekrojach itp.

Wszystkie te przewidywania teorii wymagały doświadczalnej weryfikacji, więc mój uniwersytecki przyjaciel Nikołaj Zawaricki zaczął mierzyć pola krytyczne w cienkich warstwach. Teoria i doświadczenie zgadzały się doskonale, m.in. można było zaobserwować zmianę rodzaju przejścia: pierwszego rodzaju dla grubszych warstw, drugiego - dla cieńszych. Wydaw^rało się, że wszystko jest w' porządku, ale szef Zawarickiego, Aleksander Szalnikow, ciągle nie był zadowolony. Uważał, że warstwy badane przez Zawarickiego są złej jakości, ponieważ wytworzono je w temperaturze pokojowej.

Atomy metalu naparowane na szklane podłoże mogły tworzyć skupiska i w^r rzeczywistości warstw^ra mogła składać się z małych kropel. Aby tego uniknąć, Szalnikow radził, żeby w czasie napylania i pomiaru podłoże utrzymywać w temperaturze helowej atomy metalu nie będą wtedy migrować i warstwa będzie jednorodna.

Zaw^raricki skorzystał z tej rady i wynik był zaskakujący: zależność pola krytycznego od grubości warstwy lub temperatury (w teorii występował iloraz grubości warstwy i głębokości wnikania pola magnetycznego, zależnej od temperatury) nie zgadzała się z przewidywaniami teorii Ginzburga Landaua (GL). Omawiając otrzymane wyniki z Zawarickim, nie mogliśmy uwierzyć, że teoria może być zła była tak piękna i tak dobrze opisywała dotychczasowa rezultaty. Zaczęliśmy więc szukać wyjaśnienia otrzymanych wyników w ramach samej teorii i znaleźliśmy je. Jeśli wszystkie wielkości wyrażone były w odpowiednich jednostkach, to równania teorii zależały tylko od jednej bezwymiarowej stałej „materiałowej” k, później nazwanej parametrem Ginzburga Landaua. Wartość parametru k można wyznaczyć z wartości energii powierzchniowej warstwy oddzielającej obszar nadprzewodzący od normalnego. Z kolei energię powierzchniowy można obliczyć, znając okresowość obszarów' normalnych i nadprzewodzących w^r stanie pośrednim. Wyniki otrzymywane dla konwencjonalnych nadprzewodników wskazywały na bardzo małe wartości k. i dlatego obliczenia w^r pracy Ginzburga Landaua były wykonane dla tego granicznego przypadku. Ustalono również, że ze wzrostem wartości k energia powierzchniowa warstwy między obszarami nadprzewodzącym i normalnym staje się ujemna, a poniew^aż było to sprzeczne z istnieniem stanu pośredniego, takiego przypadku nie rozpatrywano.

Postanowiłem więc zbadać, co się stanie, kiedy k > l/V2, tzn. gdy energia powierzchniowa będzie ujemna. W takim przypadku przejście fazowe jest drugiego rodzaju niezależnie od grubości w^rarstwy. Teo-

* Wykład noblowski, wygłoszony 8 grudnia 2003 r. w Sztokholmie, został przetłumaczony za zgodą Autora i Fundacji Nobla [lYanslated with permission. Copyright © 2003 by the Nobel Foundation].

199

POSTĘPY FIZYKI TOM 55 ZESZYT 5 ROK 2004