Zachowanie się nadprzewodników w silnym polu magnetycznym
W ramach projektu CONDMATH (Mathematical problems in superconductivity and Bose-Einstein condensation), finansowanego ze środków UE, badano podstawy matematyczne zjawisk z dziedziny współczesnej fizyki kwantowej, a w szczególności nadprzewodnictwa. Nadprzewodnictwo jest zasadniczo dobrze opisywane przez nieliniowy model zaproponowany przez Ginzburga i Landaua. Pozostaje jednak pytanie, jak zachowują się materiały nadprzewodzące pod wpływem silnych pól magnetycznych. Wcześniejsze doświadczenia wykazały, że po wystawieniu na działania słabych pól magnetycznych nadprzewodniki typu II pozostają globalnie w stanie nadprzewodzącym. Przy krytycznej wartości zewnętrznego pola magnetycznego, HC1, nadprzewodnictwo ulega załamaniu w przypominających punkty osobliwościach, zwanych wirami. Kiedy siła pola magnetycznego zostanie zwiększona do kolejnej wartości krytycznej, HC2, nadprzewodnictwo całkowicie znika we wnętrzu materiału i zostaje utrzymane tylko w wąskim obszarze granicznym. Trzecia i ostatnia wartość krytyczna pola, HC3, powoduje zupełny zanik nadprzewodnictwa. Projekt CONDMATH umożliwił dokładne poznanie dominujących warunków dla pola o sile rozpoczynającej się poniżej HC2 i kończącej się na HC3. To z kolei pozwoliło na dokładne matematyczne opisanie zjawisk fizycznych po raz pierwszy zaobserwowanych w latach 50. XX w. Naukowcy badali kulistą próbkę poddawaną działaniu stałego pola magnetycznego skierowanego od "południa" do "północy" na obiekt. Zaczynając od bardzo mocnych pól magnetycznych i zmniejszając ich intensywność, uczeni obliczyli dokładną wartość HC3, w której pojawi się nadprzewodnictwo, w wąskim obszarze w pobliżu "równika" kuli. Dalsze zmniejszenie natężenia pola magnetycznego powoduje umiejscowienie nadprzewodnictwa w obszarze granicznym kuli, ale w większym regionie "zwrotnikowym". Badaczom udało się przewidzieć wielkość tego "zwrotnikowego" regionu dla danej siły pola magnetycznego. Drugie pole krytyczne, HC2, występuje, kiedy region "zwrotnikowy" sięga "biegunów" kuli i kiedy nadprzewodnictwo zaczyna się pojawiać we wnętrzu kuli. W przypadku siły pola magnetycznego nieco mniejszej niż HC2 nadprzewodnictwo będzie równomiernie słabe we wnętrzu, ale stopniowo wzrasta w miarę zmniejszania się pola. Nadprzewodniki mogą zwiększać wydajność dowolnego instrumentu wykorzystującego elektryczność lub magnetyzm po osiągnięciu odpowiedniego zakresu temperatur. Wartość ekonomiczna zastosowań nadprzewodnictwa w dziedzinie elektroniki, energetyki, obrazowania medycznego, transportu i innych podwaja się obecnie co pięć lat. Udoskonalenia teorii nadprzewodnictwa mają istotne znaczenie dla każdego nowego zastosowania.
Słowa kluczowe
Nadprzewodnictwo, półprzewodnik typu II, model nieliniowy, pole magnetyczne, model Ginzburga-Landaua
