DANTAS, D. S. Emergent vortex behavior in superconductors and superfluids with single and multicomponent quantum condensates. 2017. 158 f. Tese (Doutorado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017. / Submitted by Pós-Graduação em Física (posgrad@fisica.ufc.br) on 2017-09-14T17:26:18Z
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Previous issue date: 2017 / Using a self-devised numerical approach, we developed a powerful tool to investigate vortex
properties and interactions in mean-field theories for superconductors and superfluids,
based on fixing the vortex phase distribution in the energy minimization process. The
method was applied to (i) multi-component Bose-Einstein condensates (BECs) and (ii)
superconductors with single- or multi-component superconducting condensates. In these
systems, vortex-vortex interaction and other key vortex features are analytically described
only in specific regimes, that do not account for a large part of vortex behavior observed
experimentally. In multi-component BECs, for example, the vortex-vortex interaction is
only known for inter-vortex distances much greater than the healing length, i.e. far from
the vortex core. Under our approach, by assuming multi-vortex structures, within Gross-
Pitaevskii theory, we report the vortex-vortex interaction in the full range of distances,
capturing the mechanism behind unusual vortex conformations previously reported in
literature, such as bound clusters with two or three vortices. Usually, these clusters
emerge from a competition between intra- and inter-component vortex interaction, but we
demonstrate they can also emerge from the phase-frustration between the components.
In superconductors, the description of vortex-vortex interaction is usually restricted to
bulk or very thin films, and most of the key vortex features, such as the spatial magnetic
field and current density profiles, are known only in the limit of London theory, i.e. for
coherence length negligible as compared to magnetic field penetration depth and other
system dimensions. The parametric range outside this limit is actually relevant to many
materials. We fill that gap by applying our method to Ginzburg-Landau theory. The
vortex structure is investigated for single- and two-gap bulk superconductors, outside the
London regime. This enables us to extend analytical expressions describing the condensate
and magnetic profiles around the vortex available in literature by numerical calculations
and suitable fitting functions. We expand our approach to account for films with finite
thickness, to connect our findings to both bulk and Pearl’s description by adjusting the
sample thickness. This also allowed us to describe how vortex configurations change for
samples with intermediate thickness, where we observe the effective magnetic response
of the superconductor changing between the textbook type-1 and type-2 behaviors, in
a nontrivial manner, governed by the non-monotonic vortex interaction. As a result of
a detailed analysis, we propose new critical parameters to define the crossover between
different regimes and establish their relation with the superconducting critical fields. / Usando uma abordagem numérica própria, desenvolvemos uma ferramenta poderosa
para investigar propriedades e interações de vórtices na teoria do campo médio para
supercondutores e superfluidos, baseada na fixação da distribuição de fase dos vórtices
no processo de minimização da energia. O método foi aplicado a (i) condensados de
Bose-Einstein (BECs) com múltiplas componentes e (ii) supercondutores com um ou mais
condensados que super-conduzem. Nesses sistemas, a interação vórtice-vórtice e outras
características chaves são analiticamente descritas apenas em regimes específicos, que não
descrevem grande parte do comportamento dos vórtices observados experimentalmente.
Em condensados de Bose-Einstein com múltiplas componentes, por exemplo, a interação
vórtice-vórtice é conhecida apenas para distâncias muito maiores que o comprimento de
coerência, i.e. longe do centro do vórtice. Sob nossa abordagem, assumindo estruturas com
múltiplos vórtices, dentro da teoria de Gross-Pitaevskii, nós reportamos a interação entre
vórtices em todo o domínio de distâncias, capturando o mecanismo por trás de conformações
de vórtices não usuais previamente reportadas na literatura, como aglomerados ligados com
dois ou três vórtices. Sabe-se que, geralmente, esses aglomerados emergem da competição
entre interações de vórtices intra-componentes com interações inter-componentes, no
entanto, nós demonstramos que essas também podem emergir da frustração de fase entre
as componentes.
Em supercondutores, a descrição da interação entre vórtices é geralmente restrita a
materiais na forma bulk ou em filmes finos, e a maior parte das características chaves dos
vórtices, tais como os perfis espaciais do campo magnético e da densidade de corrente, são
conhecidos apenas no limite da teoria de London, i.e. para comprimentos de coerência
insignificantes quando comparados ao comprimento de penetração e outras dimensões
do sistema. O alcance paramétrico fora desse limite é na verdade relevante para muitos
materiais. Nós preenchemos essa lacuna ao aplicar nosso método à teoria de Ginzburg-
Landau. A estrutura dos vórtices é investigada para supercondutores do tipo bulk com
uma e duas componentes fora do regime de London. Isso nos permitiu estender expressões
analíticas da literatura que descreviam os perfis do condensado e do campo magnético
em torno do vórtice através de cálculos numéricos e realização de fittings com funções
apropriadas. Expandimos nossa abordagem para filmes com espessura finita, a fim de
conectar nossos achados a ambas as descrições do tipo bulk e de Pearl, através de ajustes
da espessura da amostra. Isso também nos permitiu descrever como as configurações de
vórtices mudam para amostras com espessura intermediária, onde observamos a resposta
magnética efetiva alterando entre os comportamentos de tipo-1 e tipo-2 de forma não
trivial, levando a uma interação não monotônica entre vórtices. Como resultado de uma
análise detalhada, nós propomos novos parâmetros críticos para definir a transição entre
os diferentes regimes supercondutores e estabelecer suas relações com os campos críticos
do supercondutor usual.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:www.repositorio.ufc.br:riufc/25801 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Dantas, Davi Soares |
| Contributors | Milorad Milosevic, Andrey Chaves |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFC, instname:Universidade Federal do Ceará, instacron:UFC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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