Topological defects in dirty two-band superconductors

Multicomponent superconductivity arises as a natural extension of the conventional theory, when materials have more than one superconducting band. The triviality of the extension does not reflect at all the multitude of new possible exotic phenomena. The topic of this thesis is to analyze some of them, in the context of a microscopically derived Ginzburg-Landau two-band model. In particular the model studied has repulsive interband coupling interaction and interband impurity scattering. The model hopes to describe some of the physics of iron-based superconductors, a new class of high temperature superconductors recently discovered. The impurity will have a central role in the model, allowing transitions between gap states, from s+- to s++. This transition can happen abruptly with a crossover, producing a new form of vortex matter, the so called "moat-core" vortices or can happen smoothly through an intermediate s+is state. The latter is an example of broken time-reversal symmetry state (BTRS), impossible in conventional superconductivity, and presenting peculiar magnetic properties, like the appearance of spontaneous magnetic field inside the material, in contrast with the usual London electrodynamics. BTRS states also affects vortex interaction, opening the possibility of type-1.5 superconductivity, an intermediate new state involving vortex clusterization. Apart from vortex, other topological defects are possible in multicomponent systems, like Skyrmions and domain walls, that will be studied during the thesis. All the phenomena above mentioned have been extensively analyzed inside the model and numerically simulated, within a finite element framework.

La superconduttività a più componenti è un'estensione naturale della teoria convenzionale, nel caso il materiale abbia più di una banda superconduttrice. La facilità con cui si estende il modello tuttavia non rispecchia la moltitudine dei nuovi fenomeni. Questa tesi analizza alcuni di questi fenomeni, nel contesto di un modello Ginzburg-Landau a due bande microscopicamente derivato. In particolare questo modello ha un'interazione repulsiva come accoppiamento fra bande, e termini diffusivi interbanda dovuti ad impurità. Il modello cerca di descrivere alcune proprietà dei superconduttori a base di ferro, una nuova classe di superconduttori ad alta temperatura critica recentemente scoperti. Le impurità avranno un ruolo centrale, permettendo una transizione da uno stato s+- ad uno s++. Questa transizione può avvenire in modo discontinuo, producendo una nuovo tipo di vortice, il vortice a "fossato", oppure può avvenire in modo continuo, attraverso uno stato intermedio s+is. Quest'ultimo è un esempio di stato che rompe la simmetria rispetto all'inversione temporale (BTRS), impossibile da trovare in superconduttori convenzionali, e che presenta properietà magnetiche particolari, come la presenza di campi magnetici spontanei dentro il materiale, a differenza della classica elettrodinamica di London. Gli stati BTRS hanno anche effetti sull'interazione fra vortici, aprendo la possibilità alla superconduttività di tipo 1.5, un nuovo stato intermedio che involve la formazione di raggruppamenti di vortici. Oltre ai vortici, altri difetti topologici sono possibili, come gli Skyrmion e la pareti di dominio, che verranno studiati durante la tesi. Tutti i fenomeni sopracitati sono stati analizzati nel dettaglio all'interno del modello e simulati numericamente, attraverso il metodo degli elementi finiti.