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Title in Portuguese: Emergent vortex behavior in superconductors and superfluids with single and multicomponent quantum condensates
Author: Dantas, Davi Soares
Advisor(s): Andrey Chaves
Co-advisor(s): Milorad Milosevic
Keywords: Supercondutores
Superfluidos
Issue Date: 2017
Citation: DANTAS, D. S. Emergent vortex behavior in superconductors and superfluids with single and multicomponent quantum condensates. 2017. 156 f. Tese (Doutorado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017.
Abstract in Portuguese: 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.
Abstract: 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.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/25801
metadata.dc.type: Tese
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