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Teora de Ginzburg-Landau y 
Superconductividad 
Yohana Bonilla Gutierrez 
Departamento de Fsica, Universidad del Valle 
Ciudad Universitaria Melendez, Santiago de Cali, Colombia
Teora de Ginzburg-Landau y 
Superconductividad 
Yohana Bonilla Gutierrez 
Dr. Ruben A. Vargas 
Trabajo presentado como Monografa para el curso electivo de 
Transiciones de Fase 
17 de Junio de 2011
Indice 
1 Introduccion 1 
2 Objetivos 2 
2.1 Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 
2.2 Objetivos Espec
cos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 
3 Breve rese~na sobre el descubrimiento de la superconductividad 3 
3.1 Superconductividad: el fenomeno basico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 
3.2 Algunos hallazgos relevantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 
4 Modelo Teorico 5 
4.1 La Teora de London como punto de partida . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 
4.2 La Teora 	 (Teora de Ginzburg-Landau) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 
4.2.1 Las ecuaciones de Ginzburg-Landau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 
4.2.2 Consideraciones sobre la funcion 	 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 
4.2.3 Las dos longitudes caractersticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 
5 Una aplicacion simple: nucleacion de la superconductividad en muestras 
volumetricas 12 
6 Conclusiones 14 
Referencias 15
Introduccion 1 
1 
Introduccion 
Hasta el momento de la publicacion del trabajo de V.L. Ginzburg y L.D. Landau, On 
the Theory of Superconductivity, Zh. Eksp. Teor. Fiz. (ZhETF) 20, 1064 (1950); la teora 
fenomenologica existente para describir el estado superconductor era insatisfactoria [1]. 
Los modelos previos no permitan determinar la tension super
cial (energa super
cial) en 
la frontera entre las fases normal y superconductora, y tampoco describan correctamente 
la destruccion de la superconductividad por un campo magnetico o corriente externos. La 
teora 	, conocida mas recientemente como la Teora de Ginzburg-Landau de la supercon-ductividad, 
fue propuesta por Ginzburg y Landau en su trabajo de 1950, y resulto estar 
exenta de las limitaciones anteriormente descritas. 
La teora 	 es una teora fenomenologica, construida sobre la base de la teora gene-ral 
de Landau para describir la transicion entre dos fases en un sistema termodinamico. 
Es notable observar que esta teora fue desarrollada completamente usando argumentos 
heursticos y solo despues, cuando se establecio la teora BCS (microscopica), se entendio el 
verdadero valor de la aproximacion de Ginzburg y Landau. 
La teora permite expresar la tension super
cial en funcion del campo magnetico crtico 
para el cual se destruye la superconductividad y la longitud de penetracion del campo 
magnetico en los superconductores. La teora llevo a un gran numero de conclusiones 
cualitativas nuevas, que han sido corroboradas experimentalmente y su descripcion sera el 
tema central de esta monografa.
Objetivos 2 
2 
Objetivos 
2.1 Objetivo General 
Presentar una introduccion a la teora fenomenologica de Ginzburg-Landau predictiva de 
muchas propiedades de los materiales superconductores. 
2.2 Objetivos Espec
cos 
1. Exponer algunos de los aspectos historicos que motivaron el desarrollo de la teora. 
2. Describir el modelo teorico basico que sustenta la aproximacion de Ginzburg y Lan-dau.
Breve rese~na sobre el descubrimiento de la superconductividad 3 
3 
Breve rese~na sobre el descubrimiento de la 
superconductividad 
3.1 Superconductividad: el fenomeno basico 
Un superconductor perfecto es un material que exhibe dos propiedades caractersticas: 
? Resistencia electrica cero. 
? Diamagnetismo perfecto 
ambas, cuando se enfra el material por debajo de una temperatura particular Tc, llamada 
la temperatura crtica [2]. 
Para temperaturas altas, un superconductor es un metal normal, que ordinariamente 
no es muy buen conductor. Por ejemplo, el plomo (Pb), el tantalio (Ta), y el esta~no 
(Sn) llegan a ser superconductores a las temperaturas adecuadas, mientras que materiales 
como el cobre, la plata y el oro, no son superconductores. En el estado normal, algunos 
metales superconductores son debilmente diamagneticos, y algunos son paramagneticos. 
Por debajo de Tc estos materiales exhiben conductividad electrica perfecta y tambien 
diamagnetismo perfecto o muy pronunciado [2]. 
Diamagnetismo perfecto, la segunda propiedad caracterstica, signi
ca que un material 
superconductor impide que un campo magnetico externo aplicado penetre en su interior. 
Los superconductores que excluyen totalmente un 
ujo magnetico aplicado, son conocidos 
como superconductores Tipo I. Otros superconductores denominados superconductores de 
Tipo II, son tambien conductores electricos perfectos, pero sus propiedades magneticas 
son mas complejas [2]. Estos excluyen el 
ujo magnetico totalmente cuando el campo 
magnetico aplicado es bajo, pero solo lo excluyen parcialmente, cuando la intensidad del 
campo aplicado es mas alta. Para tales campos, su diamagnetismo es mas bien de tipo 
mixto, dando lugar al denominado estado de vortice [2]. 
3.2 Algunos hallazgos relevantes 
En 1908 H. Kamerlingh Onnes, inicio el campo de la fsica de bajas temperaturas 
logrando la licuefaccion del helio en su laboratorio de Leiden. Tres a~nos despues (1911), 
encontro que por debajo de 4.15K la resistencia DC del mercurio desciende a cero (Fig. 1). 
Este hallazgo fue el punto de partida del campo de la superconductividad [2]. 
En 1933, Meissner y Ochsenfeld encontraron que cuando una esfera metalica normal, se 
enfra hasta su temperatura de transicion Tc en presencia de un campo magnetico, repele 
la entrada del 
ujo magnetico (Fig. 2). Tal efecto, conocido como efecto Meissner, implica 
que la superconductividad, se debe destruir por un campo magnetico crtico Hc (Fig. 3), 
relacionado termodinamicamente con la diferencia de energa libre entre los estados normal 
y superconductor a campo cero [3].
Breve rese~na sobre el descubrimiento de la superconductividad 4 
Figura 1: Curva historica de Resistencia (
) vs. Temperatura (K) del 26 de octubre de 1911. 
El experimento mostro la transicion superconductora en 4.20K. 
Figura 2: Curvatura de las lneas de un campo magnetico aplicado, constante, alrededor de 
una esfera superconductora. 
El campo crtico termodinamico se determina igualando la energa magnetica por unidad 
de volumen H2 
c =8 con la diferencia de las energas libres de Helmholtz por unidad de 
volumen en las fases normal Fn0 y superconductora Fs0 en ausencia de campo [3]: 
H2 
c (T) 
8 
= Fn0(T)  Fs0(T); (1) 
Se encontro empricamente que el campo Hc(T)se puede aproximar muy bien, por una ley 
parabolica 
Hc(T)  Hc(0)[1  (T=Tc)2] (2) 
ilustrada en la Fig. 4. 
Mientras la transicion a campo cero en Tc es de segundo orden, la transicion en presencia 
de un campo, es de primer orden debido a que hay un cambio discontinuo en el estado 
termodinamico del sistema y un calor latente asociado [3].
Modelo Teorico 5 
Figura 3: Esquema del fenomeno de diamagnetismo perfecto a temperaturas inferiores a Tc y 
para un campo externo aplicado inferior al crtico (Hc). 
Figura 4: Dependencia de la temperatura del campo crtico termodinamico. 
4 
Modelo Teorico 
4.1 La Teora de London como punto de partida 
El reporte del efecto Meissner llevo a los hermanos London, Fritz y Heinz, a proponer 
ecuaciones que explicaran este efecto y predijeran hasta que punto un campo magnetico 
externo puede penetrar en un superconductor [3]. 
Un metal que exhibe los estados normal y superconductor, puede ser tratado como 
una sustancia de dos fases, en un sentido termodinamico. Como un resultado, en 1934 
surgio la as llamada aproximacion de dos-
uidos (two-
uid), que postula un 
uido de 
electrones normales mezclado con un 
uido de electrones superconductores. Los dos 
uidos 
se interpenetran pero no interactuan [2]. De acuerdo al modelo de dos-
uidos, la densidad 
de corriente electrica total en un superconductor es: 
j = js + jn; (3) 
donde js y jn son las densidades de corriente superconductora y normal respectivamente. 
La corriente normal en un superconductor no di
ere de la corriente en un metal normal,
Modelo Teorico 6 
en la aproximacion local: 
jn = n(T)E; (4) 
donde E es el campo electrico y n es la conductividad de la parte normal del lquido 
electronico; por simplicidad, se tomara aqu jn=0 a menos que se especi
que lo contrario. 
En 1935, F. London y H. London propusieron [4] para js las ecuaciones de London: 
rot (js) =  
1 
c 
H (5) 
@ (js) 
@t 
= E (6) 
Donde  es una constante y la intensidad de campo magnetico H no di
ere en este caso 
de la induccion magnetica B. 
A tales ecuaciones se llega, por ejemplo, partiendo de las ecuaciones hidrodinamicas 
para un lquido conductor constituido por partculas con carga e, masa m y velocidad 
s (r; t): 
@s 
@t 
= (sr) s + 
e 
m 
E + 
e 
mc 
sH (7) 
= 
e 
m 
E + r 
2s 
2 
+ s 
 
rots + 
e 
mc 
H 
 
: (8) 
Tal ecuacion representa a un 
uido de conductividad (ideal) in

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Teoría de Ginzburg-Landau y Superconductividad

  • 1. Teora de Ginzburg-Landau y Superconductividad Yohana Bonilla Gutierrez Departamento de Fsica, Universidad del Valle Ciudad Universitaria Melendez, Santiago de Cali, Colombia
  • 2. Teora de Ginzburg-Landau y Superconductividad Yohana Bonilla Gutierrez Dr. Ruben A. Vargas Trabajo presentado como Monografa para el curso electivo de Transiciones de Fase 17 de Junio de 2011
  • 3. Indice 1 Introduccion 1 2 Objetivos 2 2.1 Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2.2 Objetivos Espec
  • 4. cos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 Breve rese~na sobre el descubrimiento de la superconductividad 3 3.1 Superconductividad: el fenomeno basico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.2 Algunos hallazgos relevantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 Modelo Teorico 5 4.1 La Teora de London como punto de partida . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4.2 La Teora (Teora de Ginzburg-Landau) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4.2.1 Las ecuaciones de Ginzburg-Landau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4.2.2 Consideraciones sobre la funcion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.2.3 Las dos longitudes caractersticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 5 Una aplicacion simple: nucleacion de la superconductividad en muestras volumetricas 12 6 Conclusiones 14 Referencias 15
  • 5. Introduccion 1 1 Introduccion Hasta el momento de la publicacion del trabajo de V.L. Ginzburg y L.D. Landau, On the Theory of Superconductivity, Zh. Eksp. Teor. Fiz. (ZhETF) 20, 1064 (1950); la teora fenomenologica existente para describir el estado superconductor era insatisfactoria [1]. Los modelos previos no permitan determinar la tension super
  • 7. cial) en la frontera entre las fases normal y superconductora, y tampoco describan correctamente la destruccion de la superconductividad por un campo magnetico o corriente externos. La teora , conocida mas recientemente como la Teora de Ginzburg-Landau de la supercon-ductividad, fue propuesta por Ginzburg y Landau en su trabajo de 1950, y resulto estar exenta de las limitaciones anteriormente descritas. La teora es una teora fenomenologica, construida sobre la base de la teora gene-ral de Landau para describir la transicion entre dos fases en un sistema termodinamico. Es notable observar que esta teora fue desarrollada completamente usando argumentos heursticos y solo despues, cuando se establecio la teora BCS (microscopica), se entendio el verdadero valor de la aproximacion de Ginzburg y Landau. La teora permite expresar la tension super
  • 8. cial en funcion del campo magnetico crtico para el cual se destruye la superconductividad y la longitud de penetracion del campo magnetico en los superconductores. La teora llevo a un gran numero de conclusiones cualitativas nuevas, que han sido corroboradas experimentalmente y su descripcion sera el tema central de esta monografa.
  • 9. Objetivos 2 2 Objetivos 2.1 Objetivo General Presentar una introduccion a la teora fenomenologica de Ginzburg-Landau predictiva de muchas propiedades de los materiales superconductores. 2.2 Objetivos Espec
  • 10. cos 1. Exponer algunos de los aspectos historicos que motivaron el desarrollo de la teora. 2. Describir el modelo teorico basico que sustenta la aproximacion de Ginzburg y Lan-dau.
  • 11. Breve rese~na sobre el descubrimiento de la superconductividad 3 3 Breve rese~na sobre el descubrimiento de la superconductividad 3.1 Superconductividad: el fenomeno basico Un superconductor perfecto es un material que exhibe dos propiedades caractersticas: ? Resistencia electrica cero. ? Diamagnetismo perfecto ambas, cuando se enfra el material por debajo de una temperatura particular Tc, llamada la temperatura crtica [2]. Para temperaturas altas, un superconductor es un metal normal, que ordinariamente no es muy buen conductor. Por ejemplo, el plomo (Pb), el tantalio (Ta), y el esta~no (Sn) llegan a ser superconductores a las temperaturas adecuadas, mientras que materiales como el cobre, la plata y el oro, no son superconductores. En el estado normal, algunos metales superconductores son debilmente diamagneticos, y algunos son paramagneticos. Por debajo de Tc estos materiales exhiben conductividad electrica perfecta y tambien diamagnetismo perfecto o muy pronunciado [2]. Diamagnetismo perfecto, la segunda propiedad caracterstica, signi
  • 12. ca que un material superconductor impide que un campo magnetico externo aplicado penetre en su interior. Los superconductores que excluyen totalmente un ujo magnetico aplicado, son conocidos como superconductores Tipo I. Otros superconductores denominados superconductores de Tipo II, son tambien conductores electricos perfectos, pero sus propiedades magneticas son mas complejas [2]. Estos excluyen el ujo magnetico totalmente cuando el campo magnetico aplicado es bajo, pero solo lo excluyen parcialmente, cuando la intensidad del campo aplicado es mas alta. Para tales campos, su diamagnetismo es mas bien de tipo mixto, dando lugar al denominado estado de vortice [2]. 3.2 Algunos hallazgos relevantes En 1908 H. Kamerlingh Onnes, inicio el campo de la fsica de bajas temperaturas logrando la licuefaccion del helio en su laboratorio de Leiden. Tres a~nos despues (1911), encontro que por debajo de 4.15K la resistencia DC del mercurio desciende a cero (Fig. 1). Este hallazgo fue el punto de partida del campo de la superconductividad [2]. En 1933, Meissner y Ochsenfeld encontraron que cuando una esfera metalica normal, se enfra hasta su temperatura de transicion Tc en presencia de un campo magnetico, repele la entrada del ujo magnetico (Fig. 2). Tal efecto, conocido como efecto Meissner, implica que la superconductividad, se debe destruir por un campo magnetico crtico Hc (Fig. 3), relacionado termodinamicamente con la diferencia de energa libre entre los estados normal y superconductor a campo cero [3].
  • 13. Breve rese~na sobre el descubrimiento de la superconductividad 4 Figura 1: Curva historica de Resistencia ( ) vs. Temperatura (K) del 26 de octubre de 1911. El experimento mostro la transicion superconductora en 4.20K. Figura 2: Curvatura de las lneas de un campo magnetico aplicado, constante, alrededor de una esfera superconductora. El campo crtico termodinamico se determina igualando la energa magnetica por unidad de volumen H2 c =8 con la diferencia de las energas libres de Helmholtz por unidad de volumen en las fases normal Fn0 y superconductora Fs0 en ausencia de campo [3]: H2 c (T) 8 = Fn0(T) Fs0(T); (1) Se encontro empricamente que el campo Hc(T)se puede aproximar muy bien, por una ley parabolica Hc(T) Hc(0)[1 (T=Tc)2] (2) ilustrada en la Fig. 4. Mientras la transicion a campo cero en Tc es de segundo orden, la transicion en presencia de un campo, es de primer orden debido a que hay un cambio discontinuo en el estado termodinamico del sistema y un calor latente asociado [3].
  • 14. Modelo Teorico 5 Figura 3: Esquema del fenomeno de diamagnetismo perfecto a temperaturas inferiores a Tc y para un campo externo aplicado inferior al crtico (Hc). Figura 4: Dependencia de la temperatura del campo crtico termodinamico. 4 Modelo Teorico 4.1 La Teora de London como punto de partida El reporte del efecto Meissner llevo a los hermanos London, Fritz y Heinz, a proponer ecuaciones que explicaran este efecto y predijeran hasta que punto un campo magnetico externo puede penetrar en un superconductor [3]. Un metal que exhibe los estados normal y superconductor, puede ser tratado como una sustancia de dos fases, en un sentido termodinamico. Como un resultado, en 1934 surgio la as llamada aproximacion de dos- uidos (two- uid), que postula un uido de electrones normales mezclado con un uido de electrones superconductores. Los dos uidos se interpenetran pero no interactuan [2]. De acuerdo al modelo de dos- uidos, la densidad de corriente electrica total en un superconductor es: j = js + jn; (3) donde js y jn son las densidades de corriente superconductora y normal respectivamente. La corriente normal en un superconductor no di
  • 15. ere de la corriente en un metal normal,
  • 16. Modelo Teorico 6 en la aproximacion local: jn = n(T)E; (4) donde E es el campo electrico y n es la conductividad de la parte normal del lquido electronico; por simplicidad, se tomara aqu jn=0 a menos que se especi
  • 17. que lo contrario. En 1935, F. London y H. London propusieron [4] para js las ecuaciones de London: rot (js) = 1 c H (5) @ (js) @t = E (6) Donde es una constante y la intensidad de campo magnetico H no di
  • 18. ere en este caso de la induccion magnetica B. A tales ecuaciones se llega, por ejemplo, partiendo de las ecuaciones hidrodinamicas para un lquido conductor constituido por partculas con carga e, masa m y velocidad s (r; t): @s @t = (sr) s + e m E + e mc sH (7) = e m E + r 2s 2 + s rots + e mc H : (8) Tal ecuacion representa a un uido de conductividad (ideal) in
  • 19. nita y no predice la oposicion en un superconductor a la presencia de un campo magnetico constante externo, lo cual contradice la existencia del efecto Meissner. De esta forma, en la teora de London se impuso la condicion adicional rots + e mcH = 0, interpretada como la condicion para el movimiento libre de vortices en un lquido cargado [1]. Si js se escribe en la forma js = enss, donde ns es la concentracion de carga, la asuncion adicional ns =const implica: = m e2ns : (9) Las ecuaciones de London (5), junto con la ecuacion de Maxwell rotH = 4 c js (10) con =const (en el estado estacionario), lleva a las ecuaciones: r2H 1 2H = 0; r2js 1 2 js = 0; donde 2 = c2 4 = mc2 4e2ns : (11) Para una frontera plana entre el estado superconductor y el vaco, las soluciones de la Ec. (11) son: H = H0exp z y js = c 4 H; (12) donde el campo externo H0 se toma paralelo a la frontera, que es normal al eje z. Las soluciones de la Ec. (11) implican que el campo magnetico H y la densidad de corriente
  • 20. Modelo Teorico 7 js decaen exponencialmente a traves del superconductor, donde z es la distancia a la frontera), lo que da cuenta de la aparicion del efecto Meissner. Las ecuaciones de London permanecen validas solamente en el caso de un campo debil: H Hc; (13) donde Hc es el campo magnetico crtico para el cual se destruye la superconductividad. Particularmente, se hara enfasis en los superconductores de Tipo I. Para los superconduc-tores Tipo II, la teora de London tiene un rango de aplicacion mas amplio, incluyendo la fase de vortice para H Hc2 (Hc2 el campo crtico termodinamico para esta fase) a cualquier temperatura [1]. Pero si el campo es fuerte, esto es, comparable con Hc, la teora de London puede llegar a ser invalida o insu
  • 21. ciente. Como una aplicacion particular de la teora de London, y la revision de algunos pro-blemas que presenta, se puede ver el siguiente caso: Del tratamiento termodinamico de la transicion de una placa plana de ancho 2d, se encuentra que el campo crtico Hc, para el cual su superconductividad se rompe es: Hc Hcb 2 = 1 d tanh d 1 ; (14) donde Hbc es el campo crtico para un especimen masivo [5{7]. Esta expresion para Hc sin embargo contradice la evidencia experimental, ya que se ha encontrado que que debera ser constante, segun la teora de London, no lo es: para un valor de Hc Hcb 2 a una temperatura determinada depende fuertemente de d. Por ejemplo si T = 4K entonces para d = 0;3 105cm, = 3;4 105cm, mientras que para d = 1;2 105cm, = 2 105cm Otro aspecto contradictorio de la teora de London, surge en la frontera que separa las fases normal y superconductora del metal; la energa super
  • 22. cial relacionada con el campo y la supercorriente obtenidas de Ec. (14) es negativa [1], H2 bc=8. ns + (0) ns , ob-servada Consecuentemente para obtener una tension super
  • 23. cial positiva ns = (0) para una frontera estable, es necesario introducir una cierta energa super
  • 24. cial (0) ns H2 cm=8 de origen no magnetico. Sin embargo, la introduccion de tal energa com-parativamente alta carece de fundamento fsico. 4.2 La Teora (Teora de Ginzburg-Landau) La teora que generalizo la teora de London eliminando las di
  • 25. cultades anteriormente indicadas y sugirio nuevas conclusiones fue la teora . Esta teora fue formulada en 1950 [8] por Ginzburg y Landau, y es mas comunmente conocida como la Teora de Ginzburg- Landau. En la ausencia de un campo magnetico, la transicion a la fase superconductora, es una transicion de segundo orden. La teora general de transiciones de Fase, ya incluye un cierto
  • 26. Modelo Teorico 8 parametro de orden [9], el cual en el equilibrio es nulo en la fase ordenada, y no nulo en la fase desordenada. Por ejemplo, en el caso de los materiales ferroelectricos el papel de es desempe~nado por la polarizacion espontanea Ps y en el caso de magnetos, por la magnetizacion espontanea Ms. En los superconductores, donde la fase ordenada es la fase superconductora, para el parametro de orden se escoge una funcion compleja la cual desempe~na el papel de una funcion de onda efectiva para los electrones superconductores, en un sentido es-tricto sera una pseudo funcion de onda. En consencuencia, puede ser determinada precisamente salvo una constante de fase. Dado que no hay una conexion mecano-cuantica entre y las cantidades observables, en esta teora, puede ser normalizada en una forma arbitraria de modo que j sj2 repre-sente la concentracion ns de los electrones superconductores [1]. 4.2.1. Las ecuaciones de Ginzburg-Landau Se considerara primero un superconductor uniforme en ausencia de un campo magnetico, y se asumira que es independiente de la posicion. La energa libre del superconductor, de acuerdo con la teora general para las transiciones de fase de segundo orden, depende solamente de j j2 y se puede expandir en series entorno a Tc. Utilizaremos la expansion para la energa libre en ausencia de campo [1]: Fs0 = Fn0 + j j2 +
  • 27. 2 j j4 ; (15) Cerca a Tc obtenemos para la energa libre Fs0: Fs0 = Fn0 + j j2 =
  • 28. 2 j j4 : (16) En equilibrio termodinamico (mnimo de energa) @Fs0=@ j j2 = 0, @2Fs0=@2 j j2 0 y debemos tener j j2=0 para T Tc y j j2 0 para T Tc. Como se ilustra en la Fig. (5), como se ha encontrado que
  • 29. 0 para estabilidad de la teora, si 0 el mnimo se presenta en j j2 = 0, el estado normal. Si 0 el mnimo ocurre cuando j j2 j 1j2 =
  • 30. (17) donde la notacion 1 indica que se aproxima a este valor muy adentro en el supercon-ductor, donde es apantallado de cualquier campo super
  • 31. cial o corriente [3]. Sustitutyendo este valor de en la de
  • 32. nicion de campo crtico termodinamico: Fs0(T) Fn0(T) = 2 2
  • 33. = H2 c (T) 8 ; (18) 0c Como evidentemente (T) debe cambiar de signo en Tc, se puede considerar una expansion de (T) en serie de Taylor: = (T Tc) = d dT c (T Tc).
  • 34. Modelo Teorico 9 Figura 5: Funciones de energa libre de Ginzburg-Landau para T Tc ( 0) y para T Tc ( 0). Puntos fuertes indican posiciones de equilibrio. Por simplicidad se tomo real [3]. En presencia de un campo magnetico independiente del tiempo, para obtener la densi-dad de energa libre FsH, es necesario adicionar a la expansion de Fs0 la energa asociada al campo H2=8 y la energa asociada a la posible aparicion de un gradiente de en pre-sencia del campo. Esta ultima energa para valores peque~nos de jr j2 se puede expresar como una densidad de energa cinetica en mecanica cuantica: ~ 2m 2 jr j2 = 1 2m ji~r j2 (19) en la cual m es un coe
  • 35. ciente determinado. Considerando la interaccion entre el campo magnetico y la corriente que resulta debido al termino r , se debe hacer el cambio i~r ! i~r e c A, donde A es el potencial vectorial del campo H = rotA y e es una carga. Despues en el contexto de la teora BCS microscopica, e correspondera a la carga de un par de Cooper, por lo que suele asignarse-le el valor de dos veces la carga del electron, tema que no se discutira en el presente trabajo. As la densidad de energa, relacionada con la presencia de r y el campo H toma la forma: H2 8 + 1 2m
  • 36.
  • 37.
  • 38.
  • 39. i~r e c
  • 40.
  • 41.
  • 42.
  • 43. A 2 ; (20) consecuentemente, FsH = Fs0 + H2 8 + 1 2m
  • 44.
  • 45.
  • 46.
  • 47. i~r e c
  • 48.
  • 49.
  • 50.
  • 51. A 2 : (21) En presencia de campo, la ecuacion para se encuentra partiendo del requerimiento que la energa libre total de la muestra R FsHdV debe ser lo mas peque~na posible. As variando la energa total con respecto a , encontramos: 1 2m i~r e c A 2 + @Fs0 @ = 0 (22)
  • 52. Modelo Teorico 10 1 2m i~r e c A 2 + +
  • 53. j j2 = 0 (23) Si en la frontera del superconductor la variacion es arbitraria, por ejemplo, si no hay condiciones adicionales impuestas sobre y si no hay terminos asociados a la energa super
  • 54. cial en (21), (15), entonces la condicion de mnima energa libre es as llamada la condicion de frontera natural en la frontera superconductora: n i~r e c A = 0; (24) donde n es el vector normal a la frontera. La condicion (24) se re
  • 55. ere al caso de la frontera entre un superconductor y el vaco o un dielectrico [1]. Aunque en principio parezca natural exigir que la funcion de onda en la frontera sea nula, la validez de (24) radica en que la funcion , as introducida, no es propiamente una funcion de onda de los electrones en el metal, pero debe ser cierto tipo de cantidad promedio [1]. Expresion para la supercorriente j: En lo que concierne a la ecuacion para A, si asumimos que divA=0 y variamos la energa libre total asociadad la densidad FsH, con respecto a A, se obtiene la expresion usual r2A = 4 c j = 2ie2~ mc ( r r ) + 4e2 mc2 j j2A; (25) en la cual el lado derecho contiene la expresion para la supercorriente j = ie2~ 2m ( r r ) e2 mc A: (26) Agrupando los resultados obtenidos, la solucion del problema de la distribucion de campo y corriente en un superconductor, se reduce a una integracion apropiada de (23) y (26). 4.2.2. Consideraciones sobre la funcion Suponiendo que la funcion (r) esta directamente relacionada con la matriz densidad: (r; r0) = Z (r; r0 i) (r; r0 i) dr0 i (27) donde (r; r0 i) es la funcion de onda real de los electrones en el metal, que depende de las coordenadas de todos los electrones, ri(i = 1; 2; :::;N). Las r0 i son las coordenadas de todos los electrones excepto el electron considerado, cuyas coordenadas en dos puntos se toman como r y r0. Para un sistema no superconductor (normal) teniendo orden de corto
  • 56. Modelo Teorico 11 alcance, se puede pensar que cuando jr r0j ! 1, 0 = 0, mientras que en el estado superconductor (jr r0j) ! 1 ) 06= 0. De esta forma suele relacionarse la funcion , propuesta inicialmente arbitrariamente, con la matriz densidad del sistema, mediante la relacion: (r; r0) = (r) (r0): (28) 4.2.3. Las dos longitudes caractersticas Las ecuaciones de Ginzburg-Landau (23) y (26) introducen dos longitudes caractersti-cas que discutiremos ahora: a) Una longitud caracterstica toma lugar si introducimos efectos electromagneticos, por ejemplo, la longitud de penetracion de campos debiles 0, mencionada tambien en el contexto de la teora de London. Para esta longitud caracterstica en la teora tenemos [1]: 2 0 = mc2
  • 57. c 4e2 jj = mc2 4e2 j 1j2 : (29) Dado que la teora , para campos debiles debe transformar a la teora de London, la longitud de penetracion 0 es frecuentemente llamada la longitud de penetracion de London y se denota por L o L. b) Para la otra longitud caracterstica, empezaremos considerando una situacion donde no hay corrientes o campos magneticos. Eligiendo el gauge para el cual es real, en una dimension Ec. (23) llega a ser [10]: ~2 2m d 2 dx2 + +
  • 58. 3 = 0; (30) Hay dos soluciones obvias: (1) =0 la cual describe el estado normal, (2) = 0 tal que 20 =
  • 59. 0; (31) la cual describe el estado superconductor usual. Esta segunda existe y es mas baja en energa cuando 0, esto es T Tc. Sin embargo se deben considerar soluciones mas generales. Con el
  • 60. n de
  • 61. jar la escala de longitud, es util escribir (30) en terminos de las variables reducidas = 0f y 2(T) = ~2 2mjj (32) donde (T) tiene las dimensiones de longitud. La Ec. (30) se reexpresa [10]: 2(T) df2 dx2 f + f3 = 0 (33)
  • 62. Una aplicacion simple: nucleacion de la superconductividad en muestras volumetricas 12 El signi
  • 63. cado de (T) es el de una longitud caracterstica para las variaciones de (o f), la cual llamaremos la longitud de coherencia a la temperatura T o el radio de correlacion [1]. = p ~ 2mjj = p ~ 2m0c (Tc T) = ~1=2 p 2m0c Tc = (0)1=2; (34) p 2m0c donde = (Tc T) =Tc y (0) = ~= Tc es un radio de correlacion condicional para T = 0; condicional puesto que la teora , es estrictamente aplicable solamente en la vecindad de Tc. (T) = (0) Tc Tc T 1=2 (35) de modo que las variaciones de que tienen lugar dentro de la longitud (T) son suaves respecto a (0) si T es cercana a Tc Hasta el momento se han de
  • 64. nido las dos longitudes caractersticas (T) y L(T) (o 0(T)), que determinan el comportamiento de un superconductor cerca al punto de transicion. Ambas divergen cuando T ! Tc. Se de
  • 65. ne la razon = (T) (T) (36) como el parametro de Ginzburg-Landau de la sustancia. Usando las de
  • 66. niciones de (T) y L(T) = mc e2~
  • 67. c 2 1=2 : (37) Cuando . 1, ( ) el superconductor es de tipo I, cuando 1, ( ) el material es del segundo tipo. Se encontro que la separacion exacta entre los dos tipos de p superconductores, ocurre para = 1= 2. 5 Una aplicacion simple: nucleacion de la superconductividad en muestras volumetricas Consideraremos el problema de la nucleacion de la superconductividad en una mues-tra volumetrica, en presencia de un campo H dirigido en la direccion z [3]. Un gauge conveniente es: Ay = Hx (38) Para esto se despreciara el termino no lineal en la primera ecuacion de Ginzburg-Landau, bajo el supuesto de que j j2 2 1, para un campo externo determinado [3]. En la aproximacion lineal i~r e c A 2 = ; (39)
  • 68. Una aplicacion simple: nucleacion de la superconductividad en muestras volumetricas 13 Utilizando el resultado conocido, que establece que el ujo magnetico debe estar cuantizado [3], se representa el cuanto de ujo por 0 = hc=e con h, la constante de Planck, as: 1 i r 2 0 A 2 = 2m ~2 2(T) (40) sustituyendo el gauge para el campo magnetico en (40), encontramos: r2 + 4i 0 Hx @ @y + 2H 0 2 x2 # = 2(T) (41) as es razonable buscar soluciones del tipo = eikyyeikzzf(x) (42) sustituyendo en (41) y reagrupando terminos, encontramos: f00(x) + 2H 0 2 (x x0)2f = 1 2 k2 z f (43) x0 = ky0 2H : (44) Se pueden obtener soluciones de (43) inmediatamente, notando que esta corresponde a la ecuacion de Schrodinger para una partcula de masa m en un potencial armonico con fuerza constante (2H=0)2 =m. Este problema es formalmente el mismo correspondiente a encontrar los estados cuantizados de una partcula en presencia de un campo magnetico, lo cual lleva a los niveles de Landau, separados por la frecuencia ciclotronica ~! [3]. Los autovalores resultantes son: n = n + 1 2 ~! = n + 1 2 ~ 2eH mc (45) igualando con ~2=2m 1 k2 2 z , H = 0 2n(2n + 1) 1 2 k2 z ; (46)
  • 69. Conclusiones 14 6 Conclusiones Se mostro que la teora fenomenologica de Ginzburg-Landau se fundamenta en un metodo variacional que asume una expansion de la energa libre en terminos del parametro de orden, de acuerdo con la teora general de Landau para las transiciones de Fase. La teora de Ginzburg-Landau, permite encontrar bajo argumentos netamente intui-tivos, los parametros que caracterizan el estado superconductor de un sistema.
  • 70. Referencias 15 Referencias [1] V. L. Ginzburg, On Superconductivity and Super uidity: A Scienti
  • 71. c Autobiography (Springer, 2008). [2] C.P. Poole, H. A. Farach, R. Creswick and R. Prozorov, Superconductivity (Academic Press. Inc, 2007 2nd ed). [3] M. Thinkam, Introduction to Superconductivity (Mc Graw-Hill, New York, 1996 2nd ed). [4] F. London and H. London, Proc. R. Soc. London 149A, 71, 1935; Physica 2, 341, 1935. [5] V.L. Ginzburg, Superconductivity. Izd. Akad. Nauk SSSR, MoscowLeningrad, 1946. [6] V.L. Ginzburg, On the Surface Energy and the Behaviour of Small-Sized Supercon- ductors. Zh. Eksp. Teor. Fiz. 16, 87, 1946; J. Phys. USSR 9, 305, 1945. [7] V.L. Ginzburg, The Present State of the Theory of Superconductivity. Pt. 1, Macro-scopic theory, Usp. Fiz. Nauk 42, 169, 1950. [8] V.L. Ginzburg and L.D. Landau, To the Theory of Superconductivity. Zh. Eksp. Teor. Fiz. 20, 1064, 1950. [9] L.D. Landau and E.M. Lifshitz, Statisticheskaya Fizika (Statistical Physics) Pt. 1, Fizmatlit, Moscow, 1995, Chap. XIV. [10] P. G. de Gennes, Superconductivity in Metals and Alloys (Addison-Wesley, 1989).