磁耦合下第二类超导体中阿布里科索夫涡旋的相场研究

论文摘要

通过有限差分和有限元法求解时间依赖的Ginzburg-Landau方程,以研究各种类型磁场情况下II型超导体的涡旋动力学和其他物理性质。首先,使用有限差分法,在三维几何中模拟三维II型超导样品的振荡和稳定磁场中的涡旋动力学。模拟了具有振荡磁场的超导体穿透和离开磁涡的动态行为。研究了关于载流子浓度密度和样品的平均磁化强度作为外部振荡磁场的函数。观察并讨论了在某些磁场值下载流子浓度的异常。观察到磁化与外部磁场相关的区域对磁振荡频率有依赖性,其随着频率的增加而增加。有人提出,这种效应可能导致样品在多个循环中的超导特性不稳定。计算的能量显示出与稳定磁场中的涡旋模式的一致性。磁振荡引发能量成分的振荡,超导能量中的波纹受到涡流的进入和离开的影响,在相互作用中观察到的不稳定性时间被称为涡旋弛豫时间。此外,使用与上述相同的方法,分别在具有和不具有附加静磁场的振荡磁场下模拟立方超导样品。模拟的样品中包括进入和离去的涡流。研究样品的磁化强度和载流子浓度密度作为外部磁场变化的函数。在一定的磁场值下观察到载流子浓度密度的异常,这与涡旋的进入和退出过程相关。观察到具有磁场的超导体磁化扫过的区域具有类似磁滞的行为,表示出了每个循环消耗的能量的区域。这种能量积累被认为会导致超导体在循环次数上不稳定并可能导致热淬火。能量分量的时间分布与在振荡磁场下观察到的载流子浓度和磁化的模式一致。磁振荡导致的快速相位变化导致能量分量的振荡和不规则的峰值以及超导能量在涡流的进入和退出的情况下的波纹。预期该能量累积并会采取其他形式释放出来（例如,热量）且预测会引起热淬火。在存在静磁场的情况下,超导体经受振荡磁场影响,该能量耗散计算显着增加。此外,对时间依赖的Ginzburg-Landau方程在二维空间中通过有限元方法求解,得到稳态磁场中环形超导样本的有序参数和能量分量。由于凹面需要较少的能量,涡流优先从环的内表面穿透。在载流子浓度和能量分量的空间平均值中观察到转变磁场强度,显示出小的凸起和急剧的变化,表明从非涡流到涡流状态的相变。发现过渡磁场强度与样品的环形宽度成反比。目前的工作可以更好地理解从非涡流到涡流状态的相变过程中的能量变化,并预测在实际应用中通过调整导线厚度可以避免涡流状态。例如:超导电磁铁。超导性和铁磁性是两种非常有用的现象,但很少在块状材料中共存。将它们组合在人工混合双层中产生了一些不寻常的结果。设计并研究了具有薄绝缘缓冲层的超导体-铁磁体双层体系。这种具有静磁耦合的超导体-铁磁体双层被提议用作多位超导体存储器件并且是忆阻器的潜在候选者。使用Ginzburg-Landau和Landau-Lifshitz-Gilbert模型对超导体和铁磁体材料进行了数值模拟,发现了突出的超导层中一些有趣的电阻记忆效应。观察到超导体中的涡旋模式与铁磁畴结构强烈耦合,而它们的动力学由流过超导体的电流控制。研究超导体层中的载流子浓度,能量分量和磁化强度,作为超导体层中施加的电流脉冲的函数,来指示电流脉冲的信息存储。观察到了多个电阻状态,显示了这种设备用作多位数据存储设备的可能性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 Introduction
• 2 Brief Literature Review
•   2.1 History of superconductivity
•   2.2 Overview of superconducting materials
•   2.3 Superconducting electronics
•   2.4 Phenomenological Theories of Superconductivity
•     2.4.1 The London Model
•     2.4.2 The Ginzburg-Landau Model
•   2.5 Microscopic formulism （BCS Theory）
•   2.6 The equation of motion by Gor'kov, Eilenberger and Usadel
• 3 Numerical Techniques
•   3.1 Ginzburg-Landau Model
•     3.1.1 Non-Dimensionalization
•     3.1.2 Time-Dependent Ginzburg-Landau Equations
•     3.1.3 Guage Invariance
•   3.2 Numerical Methods
•     3.2.1 The U-ψ method
•     3.2.2 Semi-Implicit（φ-ψ）method
•     3.2.3 Boundary conditions
•     3.2.4 Energy terms
•   3.3 Landau-Lifshitz-Gilbert equations
• 4 Vortex Dynamics in Type-Ⅱ Superconductors in Oscillating Magnetic Field
•   4.1 Results and discussions
•   4.2 Summary
• 5 Effect of Background Magnetic Field on Type-Ⅱ Superconductor UnderOscillating Magnetic Field
•   5.1 Results and Discussions
•   5.2 Summary
• 6 Phase Transitions in Type-Ⅱ Annular Superconductor
•   6.1 Results and discussions
•   6.2 Summary
• 7 Current Assisted memory effect in Superconductor-Ferromagnet Bilayer
•   7.1 Results and discussions
•   7.2 Summary
• 8 Conclusions
• References
• Resume
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: Hasnain Mehdi Jafri

导师: 马星桥

关键词: 模型,阿布里科索夫涡旋,第二类超导体,忆阻器,多比特存储设备

来源: 北京科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 数学,数学,物理学

单位: 北京科技大学

分类号: O511.3;O241.82

总页数: 86

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