Lý thuyết Thống kê Lượng tử về Siêu dẫn: Nghiên cứu toàn diện

Khám phá lý thuyết lượng tử về siêu dẫn: Giải thích cơ chế, ứng dụng tiềm năng và những đột phá trong lĩnh vực vật lý chất rắn. Tìm hiểu ngay!

Trường đại học

State University of New York at Buffalo, Universidad Nacional Autónoma de México

Chuyên ngành

Vật lý

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Sách chuyên khảo

2002

359
1
0

Phí lưu trữ

75 Point

Mục lục chi tiết

Preface to the Series

Preface

Constants, Signs, and Symbols

1. Introduction

1.1. Basic Experimental Facts

1.2. Meissner Effect

2. Free-Electron Model for a Metal

2.1. Conduction Electrons in a Metal; The Hamiltonian

2.2. Free Electrons; The Fermi Energy

2.3. Density of States

2.4. Heat Capacity of Degenerate Electrons 1; Qualitative Discussions

2.5. Heat Capacity of Degenerate Electrons 2; Quantitative Calculations

2.6. Ohm’s Law, Electrical Conductivity, and Matthiessen’s Rule

2.7. Motion of a Charged Particle in Electromagnetic Fields

3. Lattice Vibrations: Phonons

3.1. Lattice Vibrations; Einstein’s Theory of Heat Capacity

3.2. Oscillations of Particles on a String; Normal Modes

3.3. Transverse Oscillations of a Stretched String

3.4. Debye’s Theory of Heat Capacity

4. Liquid Helium: Bose–Einstein Condensation

4.1. Free Bosons; Bose–Einstein Condensation

4.2. Bosons in Condensed Phase

5. Bloch Electrons; Band Structures

5.1. The Bloch Theorem

5.2. The Kronig–Penney Model

5.3. Independent-Electron Approximation; Fermi Liquid Model

5.4. The Fermi Surface

5.5. Electronic Heat Capacity; The Density of States

5.6. de-Haas–van-Alphen Oscillations; Onsager’s Formula

5.7. The Hall Effect; Electrons and Holes

5.8. Newtonian Equations of Motion for a Bloch Electron

5.9. Bloch Electron Dynamics

6. Second Quantization; Equation-of-Motion Method

6.1. Creation and Annihilation Operators for Bosons

6.2. Physical Observables for a System of Bosons

6.3. Creation and Annihilation Operators for Fermions

6.4. Second Quantization in the Momentum (Position) Space

6.5. Reduction to a One-Body Problem

6.6. One-Body Density Operator; Density Matrix

6.7. Energy Eigenvalue Problem

6.8. Quantum Statistical Derivation of the Fermi Liquid Model

6.9. Interparticle Interaction; Perturbation Methods

7. Electron–Ion Interaction; The Debye Screening

7.1. Electron–Electron Interaction

7.2. More about the Heat Capacity; Lattice Dynamics

7.3. Electron–Phonon Interaction; The Fröhlich Hamiltonian

7.4. Perturbation Theory 1; The Dirac Picture

7.5. Scattering Problem; Fermi’s Golden Rule

7.6. Perturbation Theory 2; Second Intermediate Picture

7.7. Electron–Impurity System; The Boltzmann Equation

7.8. Derivation of the Boltzmann Equation

7.9. Phonon-Exchange Attraction

8. The Generalized BCS Hamiltonian

8.1. The Cooper Problem 1; Ground Cooper Pairs

8.2. The Cooper Problem 2; Excited Cooper Pairs

8.3. The Ground State

8.4. References

9. Bose–Einstein Condensation of Pairons

9.1. Pairons Move as Bosons

9.2. Free Bosons Moving in Two Dimensions with ∈ = cp

9.3. Free Bosons Moving in Three Dimensions with ∈ = cp

9.4. B–E Condensation of Pairons

9.5. Energy Gaps for Quasi-Electrons at 0 K

9.6. Energy Gap Equations at 0 K

9.7. Energy Gap Equations; Temperature-Dependent Gaps

9.8. Energy Gaps for Pairons

10. Quantum Tunneling Experiments

10.1. Quantum Tunneling Experiments 1; S–I–S Systems

10.2. Quantum Tunneling Experiments 2; S 1 –I–S2 and S–I–N

10.3. Density of the Supercondensate

11. Supercurrents, Flux Quantization, and Josephson Effects

11.1. Ring Supercurrent; Flux Quantization 1

11.2. Josephson Tunneling; Supercurrent Interference

11.3. Phase of the Quasi-Wave Function

11.4. London’s Equation and Penetration Depth; Flux Quantization 2

11.5. Ginzburg–Landau Wave Function; More about the Supercurrent

11.6. Quasi-Wave Function: Its Evolution in Time

11.7. Basic Equations Governing a Josephson Junction Current

11.8. AC Josephson Effect; Shapiro Steps

12. Type II Superconductors; The Mixed State

13. The Crystal Structure of YBCO; Two-Dimensional Conduction

13.1. Optical-Phonon-Exchange Attraction; The Hamiltonian

13.2. The Ground State

13.3. High Critical Temperature; Heat Capacity

13.4. Two Energy Gaps; Quantum Tunneling

14. Summary and Remarks

Fundamental Postulates of Quantum Mechanics. Position and Momentum Representations; Schrödinger’s Wave Equation

Schrödinger and Heisenberg Pictures

Odd and Even Permutations

Bosons and Fermions C. Bosons and Fermions

More about Bosons and Fermions

Laplace Transformation; Operator Algebras D. Linear Operator Algebras

Liouville Operator Algebras; Proof of Eq.

The ν–m Representation; Proof of Eq.

Tóm tắt

I. Lý Thuyết Lượng Tử Siêu Dẫn Khám Phá Cơ Bản Ứng Dụng

Siêu dẫn là một hiện tượng vật lý đặc biệt, thu hút sự chú ý của giới khoa học và công chúng. Lý thuyết lượng tử về siêu dẫn không chỉ là một phần của vật lý lý thuyết, mà còn là nền tảng cho nhiều công nghệ tiên tiến. Từ hiệu ứng Meissner kỳ lạ đến các ứng dụng trong máy MRImáy tính lượng tử, siêu dẫn mang lại những tiềm năng to lớn. Năm 1911, Kamerlingh Onnes phát hiện ra tính chất điện trở bằng không của thủy ngân ở nhiệt độ thấp, mở ra một kỷ nguyên mới trong nghiên cứu vật liệu. Tuy nhiên, phải đến năm 1957, lý thuyết BCS mới giải thích được cơ chế lượng tử đằng sau hiện tượng này, dựa trên sự hình thành cặp Cooper và tương tác phonon. Mặc dù lý thuyết BCS đã đạt được nhiều thành công, vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được giải đáp, đặc biệt là về siêu dẫn nhiệt độ cao và các vật liệu phức tạp như cupratespnictides. Nghiên cứu hiện đại tiếp tục khám phá các mô hình lý thuyết tiên tiến như lý thuyết Ginzburg-Landau và các phương trình Bogoliubov-de Gennes để hiểu rõ hơn về các trạng thái lượng tử kỳ lạ trong siêu dẫn. Bài viết này sẽ trình bày một cách tổng quan về lý thuyết lượng tử về siêu dẫn, từ các khái niệm cơ bản đến các ứng dụng tiên tiến, giúp người đọc hiểu rõ hơn về một trong những hiện tượng vật lý hấp dẫn nhất.

1.1. Lịch Sử Khám Phá và Phát Triển Lý Thuyết Siêu Dẫn

Siêu dẫn được Kamerlingh Onnes phát hiện năm 1911 khi ông quan sát thấy hiện tượng điện trở giảm về 0 ở thủy ngân khi nhiệt độ giảm xuống dưới một giá trị tới hạn. Onnes sau đó đã nhận giải Nobel cho phát hiện này. Sau nhiều năm nghiên cứu, năm 1933, Meissner và Ochsenfeld phát hiện ra hiệu ứng Meissner, trong đó vật liệu siêu dẫn đẩy từ trường ra khỏi lòng nó. Điều này khẳng định rằng siêu dẫn không chỉ là điện trở bằng 0, mà còn là một trạng thái vật chất mới. Bước đột phá thực sự đến từ năm 1957 với lý thuyết BCS của Bardeen, Cooper và Schrieffer, dựa trên sự hình thành cặp Cooper. Lý thuyết BCS đã giải thích thành công nhiều tính chất của siêu dẫn truyền thống, nhưng nó vẫn còn nhiều hạn chế, đặc biệt trong việc giải thích siêu dẫn nhiệt độ cao. Từ đó, nhiều lý thuyết khác đã được phát triển, ví dụ như Lý thuyết Ginzburg-Landau.

1.2. Các Tính Chất Đặc Trưng của Vật Liệu Siêu Dẫn

Vật liệu siêu dẫn có nhiều tính chất đặc biệt, bao gồm: Tính chất điện trở bằng không: Điện trở của vật liệu siêu dẫn giảm đột ngột về 0 khi nhiệt độ giảm xuống dưới nhiệt độ chuyển pha (Tc). Hiệu ứng Meissner: Vật liệu siêu dẫn đẩy hoàn toàn từ trường ra khỏi lòng nó. Từ thông lượng tử: Từ thông qua một vòng siêu dẫn bị lượng tử hóa. Năng lượng khe hở: Có một khe hở năng lượng giữa trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích của siêu dẫn.

1.3. Phân Loại Vật Liệu Siêu Dẫn Loại I và Loại II

Vật liệu siêu dẫn được chia thành hai loại chính: Siêu dẫn loại I: Loại này có một giá trị từ trường tới hạn duy nhất, trên giá trị này, tính siêu dẫn bị phá vỡ. Siêu dẫn loại II: Loại này có hai giá trị từ trường tới hạn. Giữa hai giá trị này, vật liệu ở trong một trạng thái hỗn hợp, trong đó từ trường xâm nhập vào vật liệu dưới dạng các vortex.

II. Lý Thuyết BCS Cách Giải Thích Siêu Dẫn Bằng Lượng Tử Chi Tiết

Lý thuyết BCS là một cột mốc quan trọng trong việc hiểu rõ hiện tượng siêu dẫn. Lý thuyết này giải thích rằng các electron trong vật liệu siêu dẫn có thể ghép cặp với nhau thông qua tương tác với các dao động mạng tinh thể (phonon) để tạo thành cặp Cooper. Các cặp Cooper này có thể di chuyển không ma sát trong mạng tinh thể, tạo ra dòng siêu dẫn không suy giảm. Một trong những thành công lớn của lý thuyết BCS là dự đoán chính xác sự tồn tại của năng lượng khe hở trong vật liệu siêu dẫn. Khe hở này là một vùng năng lượng mà các electron không thể tồn tại, và nó đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì trạng thái siêu dẫn. Lý thuyết BCS cũng giải thích được mối liên hệ giữa nhiệt độ chuyển phanăng lượng khe hở, cũng như hiệu ứng isotope, trong đó sự thay đổi khối lượng đồng vị của các nguyên tử trong mạng tinh thể ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha. Mặc dù lý thuyết BCS đã đạt được nhiều thành công, nó vẫn có những hạn chế, đặc biệt là trong việc giải thích siêu dẫn nhiệt độ cao.

2.1. Cơ Chế Hình Thành Cặp Cooper và Tương Tác Phonon

Lý thuyết BCS giải thích rằng các electron trong vật liệu siêu dẫn ghép cặp thông qua tương tác phonon. Khi một electron di chuyển qua mạng tinh thể, nó làm biến dạng mạng. Biến dạng này tạo ra một vùng điện tích dương, thu hút electron khác. Hai electron liên kết với nhau thông qua tương tác này tạo thành một cặp Cooper. Cặp Cooper có spin bằng 0, do đó tuân theo thống kê Bose-Einstein và có thể ngưng tụ vào trạng thái cơ bản.

2.2. Năng Lượng Khe Hở và Vai Trò của Nó trong Siêu Dẫn

Trong trạng thái siêu dẫn, có một khe hở năng lượng giữa trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích của các electron. Điều này có nghĩa là các electron không thể có năng lượng trong khoảng này. Khe hở năng lượng là do sự hình thành cặp Cooper. Để phá vỡ một cặp Cooper, cần phải cung cấp một năng lượng lớn hơn khe hở năng lượng. Khe hở năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì trạng thái siêu dẫn, vì nó ngăn chặn các electron bị tán xạ bởi các tạp chất và dao động mạng.

2.3. Ảnh Hưởng của Nhiệt Độ và Tạp Chất Lên Cặp Cooper

Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đáng kể đến cặp Cooper. Khi nhiệt độ tăng, các dao động mạng tăng lên, và tương tác giữa các electron và phonon trở nên yếu hơn. Ở một nhiệt độ nhất định (nhiệt độ tới hạn, Tc), các cặp Cooper bị phá vỡ, và vật liệu mất đi tính siêu dẫn. Tạp chất cũng có thể ảnh hưởng đến cặp Cooper. Tạp chất có thể tán xạ các electron, làm giảm tuổi thọ của cặp Cooper.

III. Siêu Dẫn Nhiệt Độ Cao Vượt Qua Giới Hạn của Lý Thuyết BCS

Sự phát hiện ra siêu dẫn nhiệt độ cao trong các vật liệu cuprates vào năm 1986 đã gây ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực này. Các vật liệu này có thể trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với các vật liệu siêu dẫn thông thường, mở ra những ứng dụng tiềm năng mới. Tuy nhiên, cơ chế đằng sau siêu dẫn nhiệt độ cao vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Lý thuyết BCS không thể giải thích được các tính chất của các vật liệu này, và nhiều mô hình lý thuyết khác đã được đề xuất, bao gồm mô hình Hubbard và các lý thuyết dựa trên các trạng thái lượng tử kỳ lạ. Nghiên cứu về siêu dẫn nhiệt độ cao tiếp tục là một lĩnh vực hoạt động mạnh mẽ, với hy vọng tìm ra các vật liệu siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ phòng, mang lại những ứng dụng cách mạng trong năng lượng, giao thông và y tế.

3.1. Các Vật Liệu Cuprates và Cấu Trúc Tinh Thể Đặc Biệt

Các vật liệu cuprate là một lớp các hợp chất chứa đồng và oxy, có cấu trúc tinh thể lớp. Cấu trúc lớp này được cho là đóng vai trò quan trọng trong cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao. Các vật liệu cuprate có nhiệt độ tới hạn cao nhất được biết đến, vượt quá 130 K.

3.2. Mô Hình Hubbard và Các Lý Thuyết Liên Quan đến Tương Tác Mạnh

Mô hình Hubbard là một mô hình lý thuyết đơn giản hóa, mô tả các electron trong một mạng tinh thể tương tác mạnh với nhau. Mô hình này được sử dụng để nghiên cứu các hiện tượng vật lý phức tạp, bao gồm siêu dẫn nhiệt độ cao. Tuy nhiên, mô hình Hubbard vẫn chưa thể giải thích đầy đủ cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao.

3.3. Vai Trò của Orbital và Spin trong Siêu Dẫn Nhiệt Độ Cao

Trong siêu dẫn nhiệt độ cao, cả orbital và spin của electron đều đóng vai trò quan trọng. Cấu trúc orbital của các electron đồng trong vật liệu cuprate tạo ra các tương tác đặc biệt, dẫn đến sự hình thành cặp Cooper. Tương tác spin-spin giữa các electron cũng được cho là đóng vai trò trong cơ chế siêu dẫn.

IV. Ứng Dụng Tiềm Năng của Lý Thuyết Lượng Tử Siêu Dẫn Trong Công Nghệ

Siêu dẫn hứa hẹn mang lại những ứng dụng cách mạng trong nhiều lĩnh vực, từ năng lượng đến y tế. Ứng dụng của siêu dẫn bao gồm: Máy MRI: Sử dụng nam châm siêu dẫn để tạo ra hình ảnh chất lượng cao của cơ thể. Máy gia tốc hạt: Sử dụng nam châm siêu dẫn để điều khiển và tăng tốc các hạt. Lưu trữ năng lượng: Phát triển các thiết bị lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn. Máy tính lượng tử: Sử dụng các qubit siêu dẫn để xây dựng máy tính mạnh mẽ hơn. Hiệu ứng Josephson cũng mở ra những khả năng mới trong việc phát triển các thiết bị điện tử tốc độ cao và các cảm biến cực nhạy. Nghiên cứu và phát triển các vật liệu siêu dẫn mới tiếp tục là một lĩnh vực quan trọng để khai thác tối đa tiềm năng của công nghệ siêu dẫn.

4.1. Siêu Dẫn trong Máy MRI và Các Thiết Bị Y Tế Khác

Trong máy MRI, nam châm siêu dẫn tạo ra từ trường mạnh và ổn định. Từ trường này cho phép tạo ra hình ảnh chi tiết của các cơ quan và mô trong cơ thể. Máy MRI siêu dẫn có độ phân giải cao hơn và thời gian quét nhanh hơn so với máy MRI thông thường. Siêu dẫn cũng được sử dụng trong các thiết bị y tế khác, ví dụ như cảm biến từ tính để phát hiện các bệnh tim mạch.

4.2. Ứng Dụng Siêu Dẫn trong Máy Gia Tốc Hạt và Nghiên Cứu Vật Lý

Trong máy gia tốc hạt, nam châm siêu dẫn được sử dụng để điều khiển và tăng tốc các hạt đến vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Các hạt này sau đó được va chạm với nhau, và các nhà khoa học nghiên cứu các hạt mới được tạo ra từ các va chạm này. Máy gia tốc hạt siêu dẫn có thể đạt được năng lượng cao hơn so với máy gia tốc hạt thông thường.

4.3. Tiềm Năng của Siêu Dẫn trong Lưu Trữ Năng Lượng và Truyền Tải Điện

Siêu dẫn có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng trong các cuộn cảm siêu dẫn. Các cuộn cảm này có thể lưu trữ năng lượng với hiệu suất cao hơn so với các hệ thống lưu trữ năng lượng thông thường. Siêu dẫn cũng có thể được sử dụng để truyền tải điện với tổn thất điện năng thấp hơn so với dây dẫn thông thường. Tuy nhiên, việc ứng dụng siêu dẫn trong truyền tải điện còn gặp nhiều thách thức về kỹ thuật và chi phí.

V. Các Phương Pháp Nghiên Cứu và Thách Thức trong Lý Thuyết Siêu Dẫn

Nghiên cứu về lý thuyết lượng tử về siêu dẫn đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Các phương pháp thực nghiệm bao gồm đo điện trở, từ độ, nhiệt dung, và tunneling lượng tử. Các kết quả thực nghiệm này cung cấp thông tin quan trọng để kiểm chứng và phát triển các mô hình lý thuyết. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong việc hiểu rõ cơ chế của siêu dẫn, đặc biệt là siêu dẫn nhiệt độ cao. Các câu hỏi chưa được giải đáp bao gồm: Cơ chế nào tạo ra cặp Cooper trong các vật liệu cuprates? Tại sao siêu dẫn nhiệt độ cao lại xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với siêu dẫn thông thường? Làm thế nào để tìm ra các vật liệu siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ phòng? Việc giải quyết những thách thức này đòi hỏi sự hợp tác giữa các nhà khoa học từ nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm vật lý, hóa học, và vật liệu học.

5.1. Kỹ Thuật Đo Điện Trở Từ Độ và Nhiệt Dung trong Nghiên Cứu Siêu Dẫn

Các kỹ thuật đo điện trở, từ độ và nhiệt dung là các phương pháp thực nghiệm quan trọng để nghiên cứu các tính chất của vật liệu siêu dẫn. Đo điện trở cho phép xác định nhiệt độ chuyển pha (Tc). Đo từ độ cho phép xác định hiệu ứng Meissner và các tính chất từ của vật liệu. Đo nhiệt dung cho phép xác định khe hở năng lượng và các tính chất nhiệt động lực học của vật liệu.

5.2. Phương Pháp Tunneling Lượng Tử và Phân Tích Năng Lượng Khe Hở

Phương pháp tunneling lượng tử là một kỹ thuật thực nghiệm quan trọng để nghiên cứu khe hở năng lượng của vật liệu siêu dẫn. Kỹ thuật này dựa trên việc đo dòng điện đi qua một tiếp xúc giữa một vật liệu siêu dẫn và một vật liệu khác (ví dụ như một kim loại). Dòng điện sẽ có một sự thay đổi đột ngột khi năng lượng của các electron bằng với khe hở năng lượng.

5.3. Thách Thức trong Việc Giải Thích Cơ Chế Siêu Dẫn Nhiệt Độ Cao

Cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Một trong những thách thức lớn nhất là tìm ra một mô hình lý thuyết có thể giải thích được tất cả các tính chất của các vật liệu cuprate. Một thách thức khác là tìm ra các vật liệu siêu dẫn mới có nhiệt độ tới hạn cao hơn.

VI. Tương Lai của Lý Thuyết Lượng Tử Siêu Dẫn Khám Phá và Ứng Dụng

Nghiên cứu về lý thuyết lượng tử về siêu dẫn tiếp tục phát triển mạnh mẽ, với nhiều hướng đi đầy hứa hẹn. Một trong những hướng đi quan trọng là tìm kiếm các vật liệu siêu dẫn mới, có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng. Một hướng đi khác là phát triển các thiết bị siêu dẫn tiên tiến hơn, có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Lý thuyết lượng tử về siêu dẫn cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các công nghệ lượng tử khác, ví dụ như máy tính lượng tử. Sự kết hợp giữa siêu dẫn và các công nghệ lượng tử khác có thể mang lại những đột phá lớn trong tương lai.

6.1. Tìm Kiếm Vật Liệu Siêu Dẫn Hoạt Động ở Nhiệt Độ Phòng

Việc tìm kiếm vật liệu siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ phòng là một trong những mục tiêu quan trọng nhất trong nghiên cứu siêu dẫn. Vật liệu siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ phòng sẽ mở ra nhiều ứng dụng mới, đặc biệt là trong truyền tải điện và lưu trữ năng lượng.

6.2. Phát Triển Các Thiết Bị Siêu Dẫn Tiên Tiến và Ứng Dụng Mới

Các thiết bị siêu dẫn tiên tiến có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm y tế, năng lượng, giao thông và máy tính. Ví dụ, các cảm biến siêu dẫn có thể được sử dụng để phát hiện các tín hiệu từ tính cực yếu trong não, giúp chẩn đoán các bệnh thần kinh.

6.3. Liên Kết Giữa Siêu Dẫn và Máy Tính Lượng Tử

Các qubit siêu dẫn là một trong những ứng cử viên hàng đầu để xây dựng máy tính lượng tử. Các qubit này có thể thực hiện các phép tính lượng tử phức tạp, giúp giải quyết các vấn đề mà máy tính cổ điển không thể giải quyết được. Sự phát triển của máy tính lượng tử có thể mang lại những đột phá lớn trong nhiều lĩnh vực, bao gồm y học, khoa học vật liệu và tài chính.

27/09/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Quantum Statistical Theory of Superconductivity www.com SELECTED TOPICS IN SUPERCONDUCTIVITY Series Editor: Stuart Wolf Naval Research Laboratory Washington, D. CASE STUDIES IN SUPERCONDUCTING MAGNETS Design and Operational Issues Yukikazu Iwasa INTRODUCTION TO HIGH-TEMPERATURE SUPERCONDUCTIVITY Thomas P. Sheahen THE NEW SUPERCONDUCTORS Frank J. Owens and Charles P.

QUANTUM STATISTICAL THEORY OF SUPERCONDUCTIVITY Shigeji Fujita and Salvador Godoy STABILITY OF SUPERCONDUCTORS Lawrence Dresner A Continuation Order Plan is available for this series. A continuation order will bring delivery of each new volume immediately upon publication. Volumes are billed only upon actual shipment. For further information please contact the publisher.com Quantum Statistical Theory of Superconductivity Shigeji Fujita SUNY, Buffalo Buffalo, New York and Salvador Godoy Universidad Nacional Autonoma de México México, D., México Kluwer Academic Publishers NEW YORK, BOSTON , DORDRECHT, LONDON , MOSCOW www.com eBook ISBN 0-306- 47068-3 Print ISBN 0-306-45363-0 ©2002 Kluwer Academic Publishers New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow All rights reserved No part of this eBook may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, recording, or otherwise, without written consent from the Publisher Created in the United States of America Visit Kluwer Online at: http://www.com and Kluwer's eBookstore at: http://www.com Preface to the Series Since its discovery in 1911, superconductivity has been one of the most interesting topics in physics.

Superconductivity baffled some of the best minds of the 20th century and was finally understood in a microscopic way in 1957 with the landmark Nobel Prize-winning contribution from John Bardeen, Leon Cooper, and Robert Schrieffer. Since the early 1960s there have been many applications of superconductivity including large magnets for medical imaging and high-energy physics, radio-frequency cavities and components for a variety of applications, and quantum interference devices for sensitive magnetometers and digital circuits. These last devices are based on the Nobel Prize-winning (Brian) Josephson effect. In 1987, a dream of many scientists was realized with the discovery of superconducting compounds containing copper–oxygen layers that are superconducting above the boiling point of liquid nitrogen.

The revolutionary discovery of superconductivity in this class of compounds (the cuprates) won Georg Bednorz and Alex Mueller the Nobel Prize. This series on Selected Topics in Superconductivity will draw on the rich history of both the science and technology of this field. In the next few years we will try to chronicle the development of both the more traditional metallic superconductors as well as the scientific and technological emergence of the cuprate superconductors. The series will contain broad overviews of fundamental topics as well as some very highly focused treatises designed for a specialized audience.com This page intentionally left blank.com Preface Superconductivity is a striking physical phenomenon that has attracted the attention of physicists, chemists, engineers, and also the nontechnical public.

The theory of super- conductivity is considered difficult. Lectures on the subject are normally given at the end of Quantum Theory of Solids, a second-year graduate course. In 1957 Bardeen, Cooper, and Schrieffer (BCS) published an epoch-making mi- croscopic theory of superconductivity. Starting with a Hamiltonian containing electron and hole kinetic energies and a phonon-exchange-pairing interaction Hamiltonian, they demonstrated that (1) the ground-state energy of the BCS system is lower than that of the Bloch system without the interaction, (2) the unpaired electron (quasi-electron) has an energy gap ∆ 0 at 0 K, and (3) the critical temperature Tc can be related to ∆ 0 by 2 ∆ 0 = 3.53 k B Tc , and others.

A great number of theoretical and experimental investiga- tions followed, and results generally confirm and support the BCS theory. Yet a number of puzzling questions remained, including why a ring supercurrent does not decay by scattering due to impurities which must exist in any superconductor; why monovalent metals like sodium are not superconductors; and why compound superconductors, in- cluding intermetallic, organic, and high-T c superconductors exhibit magnetic behaviors different from those of elemental superconductors. Recently the present authors extended the BCS theory by incorporating band struc- tures of both electrons and phonons in a model Hamiltonian. By doing so we were able to answer the preceding questions and others.

We showed that under certain specific conditions, elemental metals at low temperatures allow formation of Cooper pairs by the phonon exchange attraction. These Cooper pairs, called the pairons, for short, move as free bosons with a linear energy–momentum relation. They neither overlap in space nor interact with each other. Systems of pairons undergo Bose–Einstein condensations in two and three dimensions.

The supercondensate in the ground state of the generalized BCS system is made up of large and equal numbers of ± pairons having charges ±2e, and it is electrically neutral. The ring supercurrent is generated by the ± pairons condensed at a single momentum q n = 2π n L – 1 , where L is the ring length and n an integer. The macroscopic supercurrent arises from the fact that ± pairons move with different speeds. Josephson effects are manifestations of the fact that pairons do not interact with each other and move like massless bosons just as photons do.

Thus there is a close analogy between a supercurrent and a laser. All superconductors, including high-T c cuprates, can be treated in a unified manner, based on the generalized BCS Hamiltonian.com viii PREFACE Because the supercondensate can be described in terms of independently moving pairons, all properties of a superconductor, including ground-state energy, critical tem- perature, quasi-particle energy spectra containing gaps, supercondensate density, specific heat, and supercurrent density can be computed without mathematical complexities. This simplicity is in great contrast to the far more complicated treatment required for the phase transition in a ferromagnet or for the familiar vapor–liquid transition. The authors believe that everything essential about superconductivity can be pre- sented to beginning second-year graduate students.

Some lecturers claim that much physics can be learned without mathematical formulas, that excessive use of formulas hinders learning and motivation and should therefore be avoided. Others argue that learning physics requires a great deal of thinking and patience, and if mathematical expressions can be of any help, they should be used with no apology. The average physics student can learn more in this way. After all, learning the mathematics needed for superconductor physics and following the calculational steps are easier than grasping basic physical concepts.

(The same cannot be said about learning the theory of phase transitions in ferromagnets.) The authors subscribe to the latter philosophy and prefer to develop theories from the ground up and to proceed step by step. This slower but more fundamental approach, which has been well-received in the classroom, is followed in the present text. Students are assumed to be familiar with basic differential, integral, and vector calculuses, and partial differentiation at the sophomore–junior level. Knowl- edge of mechanics, electromagnetism, quantum mechanics, and statistical physics at the junior–senior level are prerequisite.

A substantial part of the difficulty students face in learning the theory of supercon- ductivity lies in the fact that they need not only a good background in many branches of physics but must also be familiar with a number of advanced physical concepts such as bosons, fermions, Fermi surface, electrons and holes, phonons, Debye frequency, and density of states. To make all of the necessary concepts clear, we include five preparatory chapters in the present text. The first three chapters review the free-electron model of a metal, theory of lattice vibrations, and theory of the Bose–Einstein condensation. There follow two additional preparatory chapters on Bloch electrons and second quantization formalism.

Chapters 7–11 treat the microscopic theory of superconductivity. All basic thermodynamic properties of type I superconductors are described and discussed, and all important formulas are derived without omitting steps. The ground state is treated by closely following the original BCS theory. To treat quasi-particles including Bloch electrons, quasi-electrons, and pairons, we use Heisenberg’s equation-of-motion method, which reduces a quantum many-body problem to a one-body problem when the system- Hamiltonian is a sum of single-particle Hamiltonians.

No Green’s function techniques are used, which makes the text elementary and readable. Type II compounds and high-Tc superconductors are discussed in Chapters 12 and 13, respectively. A brief summary and overview are given in the first and last chapters. In a typical one-semester course for beginning second-year graduate students, the authors began with Chapter 1, omitted Chapters 2–4, then covered Chapters 5–11 in that order.

Material from Chapters 12 and 13 was used as needed to enhance the student’s interest. Chapters 2–4 were assigned as optional readings. The book is written in a self-contained manner so that nonphysics majors who want to learn the microscopic theory of superconductivity step by step in no particular hurry www.com PREFACE ix may find it useful as a self-study reference. Many fresh, and some provocative, views are presented.

Researchers in the field are also invited to examine the text. Problems at the end of a section are usually of a straightforward exercise type directly connected to the material presented in that section. By solving these problems, the reader should be able to grasp the meanings of newly introduced subjects more firmly. The authors thank the following individuals for valuable criticism, discussion, and readings: Professor M.

de Llano, North Dakota State University; Professor T. George, Washington State University; Professor A. Suzuki, Science University of Tokyo; Dr. Ko, Rancho Palos Verdes, California; Dr.

Watanabe, Hokkaido University, Sapporo. They also thank Sachiko, Amelia, Michio, Isao, Yoshiko, Eriko, George Redden, and Brent Miller for their encouragement and for reading the drafts. We thank Celia García and Benigna Cuevas for their typing and patience. We specially thank César Zepeda and Martin Alarcón for their invaluable help with computers, providing software, hardware, as well as advice.

One of the authors (S.) thanks many members of the Deparatmento de Física de la Facultad de Ciencias, Universidad Nacional Autónoma de México for their kind hospitality during the period when most of this book was written. Finally we gratefully acknowledge the financial support by CONACYT, México. Shigeji Fujita Salvador Godoy www.com This page intentionally left blank.com Contents Constants, Signs, and Symbols. Basic Experimental Facts.

Thermodynamics of a Superconductor. Development of a Microscopic Theory. Layout of the Present Book. Free-Electron Model for a Metal 2.

Conduction Electrons in a Metal; The Hamiltonian. Free Electrons; The Fermi Energy. Density of States. Heat Capacity of Degenerate Electrons 1; Qualitative Discussions.

Heat Capacity of Degenerate Electrons 2; Quantitative Calculations. Ohm’s Law, Electrical Conductivity, and Matthiessen’s Rule. Motion of a Charged Particle in Electromagnetic Fields. Lattice Vibrations: Phonons 3.

Lattice Vibrations; Einstein’s Theory of Heat Capacity. Oscillations of Particles on a String; Normal Modes. Transverse Oscillations of a Stretched String. Debye’s Theory of Heat Capacity.

Liquid Helium: Bose–Einstein Condensation 4. Free Bosons; Bose–Einstein Condensation. Bosons in Condensed Phase .com xii CONTENTS Chapter 5. Bloch Electrons; Band Structures 5.

The Bloch Theorem. The Kronig–Penney Model. Independent-Electron Approximation; Fermi Liquid Model. The Fermi Surface.

Electronic Heat Capacity; The Density of States. de-Haas–van-Alphen Oscillations; Onsager’s Formula. The Hall Effect; Electrons and Holes. Newtonian Equations of Motion for a Bloch Electron.

Bloch Electron Dynamics. Second Quantization; Equation-of-Motion Method 6. Creation and Annihilation Operators for Bosons. Physical Observables for a System of Bosons.

Creation and Annihilation Operators for Fermions. Second Quantization in the Momentum (Position) Space. Reduction to a One-Body Problem. One-Body Density Operator; Density Matrix.

Energy Eigenvalue Problem. Quantum Statistical Derivation of the Fermi Liquid Model. Interparticle Interaction; Perturbation Methods 7. Electron–Ion Interaction; The Debye Screening.

Electron–Electron Interaction. More about the Heat Capacity; Lattice Dynamics. Electron–Phonon Interaction; The Fröhlich Hamiltonian. Perturbation Theory 1; The Dirac Picture.

Scattering Problem; Fermi’s Golden Rule. Perturbation Theory 2; Second Intermediate Picture. Electron–Impurity System; The Boltzmann Equation. Derivation of the Boltzmann Equation.

Phonon-Exchange Attraction. The Generalized BCS Hamiltonian. The Cooper Problem 1; Ground Cooper Pairs .

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ