Numerical investigation of the vortex matter in superconducting systems: fundamental properties and applications - Cadorim, Leonardo Rodrigues [UNESP] (2025)
Materiais supercondutores têm despertado uma atividade significativa de pesquisa nos últimos anos, especialmente no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos. Esses dispositivos já são utilizados ou espera-se que sejam aplicados em breve em várias áreas,como detectores de campo de alta precisão e baixo custo, detectores de fóton único ultrasensíveis, diodos supercondutores, tecnologias de memória e comunicação, neurônios artificiais e até mesmo na computação quântica, onde podem servir como plataformas paraqubits. O interesse em dispositivos supercondutores foi renovado com a descoberta dasupercondutividade em materiais atomicamente finos, permitindo o desenvolvimento de dispositivos supercondutores menores, mais leves e, portanto, mais acessíveis. Além disso, a descoberta de supercondutores multicomponentes—materiais descritos por mais de um condensado—abriu caminho para novos e ricos fenômenos emergentes, de interesse tanto fundamental quanto prático. Dado que o comportamento dos vórtices supercondutores sob campo magnéticos ou elétricos aplicados pode tanto melhorar quanto prejudicar o desempenho de um dispositivo, compreender a dinâmica dos vórtices em diferentes condições físicas é crucial para otimizar a funcionalidade dos dispositivos. Nesta tese, investigamos as propriedades de equilíbrio e dinâmicas dos supercondutores convencionais de uma única banda de emparelhamento s-wave, assim como de sistemas multicomponentes com simetria de onda s e d, resolvendo numericamente as equações de Ginzburg-Landau dependentes do tempo. Na primeira parte, exploramos supercondutores mesoscópicos, onde a resposta do sistema a um campo magnético aplicado apresenta características únicas devido à pequena razão volume-área, desafiando a classificação convencional dos materiais em tipo I e tipo II. Em seguida, examinamos o processo de criação e aniquilação de vórtice-antivórtice em um filme supercondutor que transporta corrente, demonstrando que, em filmes suficientemente espessos, temos um novo estado dinâmico—”loop de vórtice fechado”—onde as linhas de vórtice e antivórtice formam um único loop antes da aniquilação. Também propomos possíveis assinaturas experimentais desse estado. Por fim, propomos um diodo supercondutor, onde um filme supercondutor central é flanqueado por dois fios supercondutores que transportam correntes contínuas. Ao otimizar o perfil do campo magnético criado por essas correntes, identificamos as condições para máxima eficiência do diodo e mostramos que o dispositivo pode funcionar como um retificador de meia onda. Na segunda parte, desenvolvemos um método semianalítico para avaliar a estabilidade dos estados de fluxo em anéis supercondutores de duas bandas. Após validar esse modelo com simulações numéricas, exploramos a possibilidade de estados de solitons. Finalmente, estudamos a matéria de vórtices em bicamadas rotacionadas com simetria de onda d, revelando a emergência de dois estados distintos de skyrmions em diferentes ângulos de rotação. Mostramos como o perfil do campo magnético desses estados pode servir como um indício claro para a detecção de estados topológicos em tais heteroestruturas.