Carsten Timm, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1996 :

"Effects of Vortex Fluctuations in High-Temperature Superconductors"


Schlagwörter: vortex, antivortex, high-temperature superconductors, Berezinskii-Kosterlitz-Thouless theory
Summary

Kurzfassung

Spontan erzeugte Vortex-Antivortex-Paare sind für eine Reihe von Eigenschaften von Hochtemperatur-Supraleitern verantwortlich. In dieser Arbeit werden einige Fragen erörtert, die im Zusammenhang mit diesen Vortizes stehen. Im ersten Teil werden zwei Erweiterungen der Berezinskii-Kosterlitz-Thouless-Theorie für zweidimensionale Supraleiter vorgestellt. Zunächst wird eine Korrektur für höhere Vortexdichten betrachtet, wobei auch lokale Feldeffekte berücksichtigt werden. Aufgrund dieser Korrektur treten Terme höherer Ordnung in den Renormierungsgruppen-Gleichungen auf. Diese Terme sorgen dafür, daß die Vortexpaardichte auch oberhalb der Übergangstemperatur endlich bleibt. Sodann wird die elektromagnetische Kopplung sowie die Josephson-Kopplung zwischen den Schichten in geschichteten Supraleitern untersucht. Der Effekt der elektromagnetischen Kopplung ist, wie sich herausstellt, klein. Unter der Annahme von Josephson-Kopplung versagt die Renormierungsgruppentheorie in der Formulierung von Kosterlitz. Im zweiten Teil werden experimentelle Konsequenzen von fluktuierenden Vortexpaaren betrachtet. Die Arbeit beschäftigt sich hauptsächlich mit den NQR-Relaxationsraten und dem Flußrauschspektrum. Diese Größen werden von derselben zeitabhängigen Korrelationsfunktion des Magnetfeldes bestimmt; jedoch sind unterschiedliche Frequenzbereiche wichtig. Ein Modell für die Korrelationsfunktion wird vorgestellt, das auf der Annahme diffuser Bewegung der Vortizes beruht und sowohl die Wechselwirkung innerhalb der Vortexpaare als auch ihre mögliche Rekombination berücksichtigt. Der Einfluß der Vortizes auf die Relaxationsraten ist im allgemeinen klein. Zur Überprüfung der Theorie sind Experimente zum Flußrauschen vermutlich besser geeignet. Abschließend werden offene Fragen diskutiert.

Titel

Kurzfassung

Summary

Spontaneously created vortex-antivortex pairs are responsible for a number of properties of high-temperature superconductors. Here, several aspects of these vortices are considered. In the first part, two generalizations of the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless theory for two-dimensional superconductors are presented. First, a correction for higher vortex densities is considered, where local-field effects are also taken into account. This correction leads to the appearance of higher order terms in the renormalization group equations. These terms ensure that the vortex pair density remains finite even above the transition temperature. Then the interlayer coupling in layered superconductors, i.e. both electromagnetic and Josephson coupling, is considered. The effect of electromagnetic coupling is found to be small. Under the assumption of Josephson coupling the Kosterlitz renormalization group approach fails. In the second part, experimental consequences of vortex pair fluctuations are considered. The main focus of the thesis is on the NQR relaxation rates and the flux-noise power spectrum. These quantities are governed by the same temporal magnetic-field correlation function, albeit in different frequency ranges. A model for this correlation function is presented, which assumes diffusive motion of vortices and incorporates the intra-pair vortex interaction as well as the possible recombination of pairs. The effect of vortices on the relaxation rates is generally small. Flux noise experiments are more promising tools for experimental tests. The thesis concludes with a discussion of open questions.