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Ginzburg-Landau-Theorie

1950
  • Vitaly Ginzburg
  • Lev Landau
Laborexperiment zu Supraleitern zur Veranschaulichung der Anwendung der Ginzburg-Landau-Theorie.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Developed in 1950 by Vitaly Ginzburg and Lev Landau, this is a phenomenological theory that describes Supraleitung near the phase transition. It introduces a complex order parameter, [latex]\Psi[/latex], to represent the density of superconducting electrons. The theory successfully describes effects like the Meissner effect and predicts the distinction between Type I and Type II superconductors based on a single parameter, [latex]\kappa[/latex].

The Ginzburg-Landau theory is a macroscopic theory, meaning it does not explain the microscopic origin of Supraleitung (which was later done by BCS theory), but it brilliantly describes the behavior of superconductors. It is based on Landau’s general theory of second-order phase transitions. The central idea is to write the free energy of the system as an expansion in powers of the order parameter [latex]\Psi[/latex] and its gradient. The order parameter is zero in the normal state and non-zero in the superconducting state. The free energy density is given by [latex]f = f_n + \alpha|\Psi|^2 + \frac{\beta}{2}|\Psi|^4 + \frac{1}{2m^*}|(-i\hbar\nabla – e^*\mathbf{A})\Psi|^2 + \frac{|\mathbf{B}|^2}{2\mu_0}[/latex], where [latex]\alpha[/latex] and [latex]\beta[/latex] are phenomenological parameters, [latex]\mathbf{A}[/latex] is the magnetic vector potential, and [latex]e^*[/latex] and [latex]m^*[/latex] are the effective charge and mass of the superconducting charge carriers. Minimizing this free energy yields the Ginzburg-Landau equations, which describe the spatial variation of [latex]\Psi[/latex] and the supercurrents. The theory defines two characteristic length scales: the coherence length [latex]\xi[/latex], over which [latex]\Psi[/latex] can vary significantly, and the London penetration depth [latex]\lambda[/latex]. Their ratio, the Ginzburg-Landau parameter [latex]\kappa = \lambda/\xi[/latex], determines the type of superconductor. If [latex]\kappa 1/\sqrt{2}[/latex], it’s Type II. This prediction of a second type of superconductor, which allows partial magnetic field penetration in a vortex lattice, was a major success of the theory, confirmed experimentally by Abrikosov in 1957.

UNESCO Nomenclature: 2211
- Festkörperphysik

Typ

Theoretisches Modell

Störung

Substanzielles

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Landaus Theorie der Phasenübergänge zweiter Ordnung
  • Londoner Gleichungen
  • Entdeckung des Meissner effect
  • Thermodynamik und statistische Mechanik

Anwendungen

  • Klassifizierung von Supraleitern (Typ I vs. Typ II)
  • Berechnung kritischer Felder und Ströme
  • modeling of vortices in typ ii supraleiter
  • theoretical framework for phase transitions in other fields (e.g., Teilchenphysik, cosmology)

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • Computergestütztes Design supraleitender Materialien mit hohen kritischen Feldern
  • modeling of domain walls in ferroelectric and ferromagnetic Materialien
  • Simulation der Entstehung kosmischer Strings im frühen Universum
  • Entwicklung von Theorien für topologische Quantenberechnungen
  • Vorhersage des Verhaltens von Bose-Einstein-Kondensaten
  • Entwurf supraleitender Geräte mit spezifischen Geometrien für die Flussfixierung
  • Modellierung der biologischen Musterbildung
  • Analyse von Instabilitäten in der Fluiddynamik
  • Erstellen fortschrittlicher Algorithmen für die Phasenfeldmodellierung in der Materialwissenschaft
  • Verständnis des Higgs-Mechanismus in der Teilchenphysik (ein relativistisches Analogon)
Related to: Ginzburg-Landau theory, order parameter, phase transition, Type I superconductor, Type II superconductor, coherence length, penetration depth, Abrikosov vortex, phenomenological theory, free energy.

Historischer Kontext

Ginzburg-Landau-Theorie

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1957
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1957
1958

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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