Японские физики рассчитали длины когерентности и проникновения в сверхпроводниках из первых принципов

Группа из Национального университета Ёкогамы, Столичного университета Токио, Вюрцбургского университета и Токийского университета разработала первопринципный метод расчёта длины когерентности ξ0 и лондоновской глубины проникновения магнитного поля λL в сверхпроводниках, сообщает Physical Review Letters aps.orgPhysical Review Lettersaps.orgОткрыть источник ↗. Метод основан на сверхпроводящей теории функционала плотности (SCDFT) и согласованно определяет ξ0, λL и температуру перехода Tc без параметров, подгоняемых под эксперимент. Авторы проверили его на восьми известных сверхпроводниках. Это расчётный метод, сверенный с имеющимися данными, а не новый материал или устройство.

Как получают длины

Обычная SCDFT предполагает однородное распределение куперовских пар по кристаллу, из-за чего длины трудно получить напрямую. Авторы задают парам конечный импульс центра масс Q и рассчитывают сверхпроводящую щель Δ(Q) и плотность сверхтока J(Q) как функции температуры и Q. Длина когерентности следует из того, как щель убывает с ростом Q, по соотношениям Гинзбурга — Ландау, строго справедливым вблизи Tc. Глубину проникновения находят либо по начальному наклону J(Q), либо по току распаривания в максимуме J(Q) вместе с ξ0. Эти длины достигают 100–1000 постоянных решётки, поэтому пришлось выбирать импульсы менее 0,1% вектора обратной решётки.

Сравнение с экспериментом

В тестовый набор вошли Al, Nb, Sn, In, Ta, Pb, V3Si и H3S при около 200 ГПа. Метод воспроизвёл классификацию первого и второго рода для всех материалов. Для ниобия расчётная Tc равна 8,09 К при измеренных 9,50 К; ξ0 — 34 нм при 39±1 нм; λL — 34–40 нм при 27–39 нм в цитируемых экспериментах. Для H3S авторы получили Tc 181 К (эксперимент: 184 К), ξ0 3,0 нм и λL 19–22 нм, не учитывая ангармонизм решётки. Наибольшее расхождение у алюминия: ξ0 636 нм против измеренных 1600 нм, Tc 1,61 К против 1,140 К.

По этим длинам авторы целиком из первых принципов построили график Уэмуры. Он показывает, что системы с более высокой Tc сочетают сильное спаривание с большой фазовой жёсткостью aps.orgPhysical Review Lettersaps.orgОткрыть источник ↗. Расчётная плотность тока распаривания ниобия, 19×10^7 А/см², примерно в 25 раз выше измеренной плотности критического тока 0,75×10^7 А/см². Пока метод применим лишь к традиционным сверхпроводникам с фононным механизмом спаривания.