涡旋低聚物的形成机理及其近晶流动态的研究

Abnormal vortex structures in multi-band superconductors is the hot part of superconductor vortex research. Although formation of vortex clusters and vortex stripes can be understood by competing interacting model, how the experimentally observed oligomers including dimers and double dimers are formed is still an open question. Now, it is not possible to to answer this question by solving the multi-band Ginzburg-Landu (GL) equations, as they are too complicated. In this project, inspired by experiments on attractive vortices in low-κ superconductors, we will establish a model based on vortices with frustrated inter-vortex interactions and study the static structures by performing Molecular Dynamics (MD) simulations or solving double band GL equations. We expect to get similar oligomer structures found in experiments. Moreover, we will also study the flowing vortex states and reveal new dynamical behaviors. The results will reveal the general rules of the dynamics of systems with frustrated inter-particle interactions, therefore, can also be used in colloidal and other systems.

多带超导体中的反常涡旋结构是超导涡旋研究的热点。尽管涡旋团、涡旋带等结构可以用竞争相互作用模型解释，而实验观测到的二聚物、四聚物等低聚物结构的形成机理目前尚不清楚。由于多带Ginzburg-Landau（GL）方程过于复杂，目前无法通过解方程研究其结构形成机理。在本项目中，受低κ超导体中吸引涡旋实验的启发，申请人将建立阻挫相互作用模型，利用分子动力学模拟和数值解双带Ginzburg-Landau方程的方法，研究涡旋自组织的稳定态结构，以期获得低聚物等类似实验的结果，从而解释涡旋低聚物的形成机理。在此基础上，通过施加外驱动力研究涡旋的流动态，探索和预言阻挫相互作用系统中涡旋的动力学新现象。研究结果将揭示阻挫相互作用体系的一般规律，对胶体等其他类似的物理系统也有指导意义。

凝聚态物理中存在很多准粒子，如第二类超导体中的涡旋，磁性斯格明子等。研究它们的物理性质，一方面可以丰富对粒子结晶、动力学等基本科学问题的认知；另一方面，它们自身都具有广泛的应用前景。例如，超导涡旋移动会导致超导体失超，从而影响超导导线的应用。同时对其性质研究，还有利于设计超导磁通器件。对斯格明子，由于其拓扑保护、低电流驱动等性质，被认为是未来新型磁储存材料的重要候选，可以被应用到IBM公司提出的赛道储存器中。本项目中，我们首先研究了多带超导体，如MgB2中的反常涡旋结构，即涡旋低聚物的成因：通过引入阻挫相互作用，利用分子动力学模拟可以获得和实验一致的涡旋结构。在此基础上，通过施加外驱动力研究涡旋的流动态，进而构建涡旋运动的动力学相图。对斯格明子，尽管其静态结构与超导涡旋相似，二者的生长方式，却存在很大差异。本项目中，我们开发了基于GPU计算的微磁学模拟软件，并集成了可以寻找最低能量路径的string method。通过对conial 相中，斯格明子的生长过程的模拟，揭示了斯格明子具有与MgB2超导体中的涡旋类似的排斥-吸引竞争的相互作用。这一结论与电镜观测发现的，类似与传统晶体生长的斯格明子生长模式吻合。同时，我们的计算和实验观测都表明，在斯格明子晶体的5-7对缺陷处，斯格明子还可以通过传统晶体中不存在的自分裂方式生长。通过分析斯格明子生长速度随时间的演化，我们研究了斯格明子生长的动力学，发现了活化能随温度、磁场变化的依赖关系。这些研究结果未来可指导斯格明子在自旋电子学器件中的应用。同时，拥有自主知识产权的高性能微磁学模拟软件的开发，为未来进一步的研究，打下了坚实基础。