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在第II类超导体中,当外加磁场高于下临界磁场HC1低于上临界磁场HC2时,超导体处于混合态。在混合态中由于温度,磁场,材料结构与缺陷对磁通运动的作用使超导混合态表现出不同的热动力学性质,从而形成复杂的相图和奇异的输运性质。近年来实验上报导的新的第II类超导体相图与奇异的输运性质引起了人们对磁通物质的实验与理论研究兴趣。
对于高温超导体以及其它各向异性超导体来说,人们通常采用各向异性XY理论模型来研究其超导体中的磁通物质的热动力学性质。当磁场垂直超导平面时采用电阻分流结(Resistively Shunted Junction:RSJ)方法研究平面饼涡旋(Pancake Vortex:PV)运动。而当磁场平行超导平面时采用电阻电容分流结(Resistively Capacitance Shunted Junctions:RCSJ)方法研究约瑟夫逊涡旋(Josephson Vortex:JV)运动。我们重点发展了这两种模型的计算方法以及三维磁通线格子(Flux Line Lattices:3D FLL)模型的长程磁互作用计算方法来研究新II类超导体中的磁通物理性质。本论文得到的主要研究结果由三部分组成:
一:采用无序二维约瑟夫森结阵列(2D JJA)模型中的RSJ计算方法,数值计算无序超导薄膜中垂直磁场引起的涡旋运动及其电压噪声的变化,研究无序超导薄膜在混合态中由磁场激发的涡旋运动状态引起的固一固连续相变,重新进入行为和峰值效应(Peak effect:PE)。得到以下几点结论:1)在不考虑温度变化的情况下研究垂直磁场引起的平面涡旋格子的相变。固定扰动电流数值计算磁场激发产生的涡旋度Ne,涡旋度的变化率dNe/dH以及低频电压噪声值So随磁场的变化关系,由此得到涡旋格子的固-固连续相变点HLg,HHg和熔化相变点Hm,分涡旋态为钉扎的稀磁液相(PDVL),涡旋玻璃相(VG)和布拉格相(BG)。2)我们发现在无序超导体中,随磁场的减弱涡旋态从涡旋液相经过BG和VG固相,在低磁场中出现一个新提出的重新进入PDVL相行为。3)固定扰动电流情况下数值计算磁场激发涡旋运动的低频电压噪声值So随磁场的变化特性,我们发现在HLg和HHg之间涡旋处于VG相,由于电流驱动下涡旋运动噪声值So表现出一个驼峰,表明VG相涡旋系统处于无序与有序相互竞争的亚稳态,并且临界电流应有PE效应。我们计算得到的固-固连续相变点,和低磁场下重新进入PDVL相,与最近在无序超导MoxSi1-x膜实验[Okuma S,Kamada M Phys.Rev.B200470014509]中新发现的相图一致。
二:我们发展3D磁通线格子(3D FLL)计算模型,考虑平面内和不同平面间的长程磁互作用,来研究无序点钉扎系统中的磁通动力学行为。我们以不同平面上磁通之间的层间耦合强度的增加来表示磁场B的增大,计算磁通运动速度与微分电阻随外加电流引起的驱动力FL的变化关系。观察到随着驱动力的增大微分电阻在FP1L和FP2L处出现两个尖峰,对应着磁通运动存在两次退钉扎现象。以微分电阻出现峰值处(FP1L和FP2L)为动力学相变点,发现在这两个相变点之间的磁通运动区间内,当层间耦合强度的作用增大到一定的范围,已开始运动的磁通运动速度减小,表明运动磁通重新进入钉扎相,临界电流具有巨大的峰值效应(PE)。总结计算结果,我们得到了磁场与驱动力的动力学相图(B—FL)。在B—FL相图中可以清楚地看到电流驱动下的运动磁通重新进入钉扎相和两次退钉扎行为。我们分析磁通重新进入钉扎相的异常行为是由3D层状结构材料对磁通运动而产生的本征钉扎机制而导致的。此相图有利于理解最近实验上在弱钉扎超导体FexNi1-xZr2中新发现的重新进入超导相的巨大峰值效应的异常行为。[M.Hilke,S。Reid et al Phys.Rev.Lett.200391,127004;J.Lefebvre,M.Hilke et al Phys.Rev.B200674,174509]
三:利用RCSJ模型数值计算耦合sine-Gordon方程组研究了高温超导体中平行磁场产生的约瑟夫森涡旋(JV)运动,得到z方向JV流产生的平均电压随平面磁场和驱动电流的变化规律。我们发现在固定的小电流下,JV流阻会随着磁场的增大出现周期性的振荡行为,而且振荡周期与每层约瑟夫森结中进入一个磁通量子相对应。计算结果还表明了产生这种周期性振荡的原因是由于JV运动受到了边界作用,形成了不同的JV格子。我们的工作从磁通动力学观点上解释了高温超导体Bi2Sr2CaCu2O8+y单晶中JV流阻产生周期性振荡行为的原因。[S.Ooi,T.Mochiku,K.Hirata Phys.Rev。Lett200289247002]