层状高温超导体中不同涡旋-涡旋相互作用势下的涡旋晶格相变研究

本研究通过蒙特卡洛方法，针对层状高温超导体（HTSCs）中涡旋系统的磁化反转过程展开研究，重点分析了Ginzburg-Landau参数κ=1/2的中间型超导体和铁磁超导体中的涡旋-涡旋相互作用势。研究发现涡旋系统存在团簇化现象，并揭示了温度升高导致的涡旋晶格熔融机制，为调控超导材料性能提供了理论依据。

　　

超导材料因其零电阻和完全抗磁性在能源传输、医疗影像等领域具有革命性潜力，但涡旋（vortex）运动导致的能量耗散严重制约其应用。传统理论认为，超导体中的涡旋行为主要由Ginzburg-Landau（GL）理论描述，但近年来发现的中间型超导体（intertype superconductors，κ≈1/√2）和铁磁超导体中，涡旋-涡旋相互作用呈现复杂非单调特性，传统理论难以解释其相变机制。这一认知空白使得调控涡旋晶格稳定性成为领域内亟待解决的难题。

为攻克这一瓶颈，研究人员在《Beilstein Journal of Nanotechnology》发表论文，采用二维层状模型结合蒙特卡洛（Monte Carlo）方法，系统模拟了不同相互作用势下涡旋系统的演化规律。通过构建包含长程吸引和短程排斥的修正London势，对比分析了κ=1/2体系与铁磁超导体中涡旋的独特行为。

关键技术包括：1）基于GL理论构建二维层状HTSCs模型；2）蒙特卡洛模拟实现磁化反转过程的动态追踪；3）采用Voronoi多边形分析表征涡旋晶格拓扑结构；4）通过序参量定量评估团簇化程度。

涡旋系统的团簇化特征
通过计算径向分布函数发现，当相互作用势包含显著吸引分量时（如铁磁超导体），涡旋自发形成分形团簇。这种非晶态排列在κ=1/2体系中尤为明显，其团簇尺寸随温度升高呈现幂律增长。

温度诱导的晶格熔融
在Bitter成像模拟中观察到，低温下三角晶格（triangular lattice）在升温至临界温度T_m时发生二级相变：序参量陡降伴随涡旋扩散系数突增，证实了"弹性到塑性"的熔融转变。值得注意的是，κ=1/2体系的T_m比传统II型超导体低约23%。

相互作用势的调控效应
对比London势与修正Coulomb势发现，当相互作用势二阶导数改变符号时（如铁磁超导体中的反单调势），涡旋系统会出现亚稳态"带状相"。这种特殊相态在磁场强度0.5H_c2（上临界场）附近稳定性最佳。

该研究首次揭示了中间型超导体中涡旋相变的普适性规律：1）团簇化现象源于相互作用势的非单调特性；2）晶格熔融温度T_m与κ值存在非线性关联；3）铁磁超导体的特殊势场可诱导新型拓扑缺陷。这些发现为设计抗磁通钉扎（flux pinning）的超导器件提供了关键理论支撑，特别是对开发混合κ值超导复合材料具有指导意义。研究建立的二维模拟框架还可拓展至拓扑超导体等新兴体系，为理解量子材料中的多体相互作用开辟了新途径。