Введение к работе
Актуальность темы. Перовскиты и перовскитоподобные соединения обладают целым рядом интересных физических свойств, среди которых наиболее значимым является высокотемпературная сверхпроводимость. После ее открытия в 1986 году началось всестороннее и систематическое изучение широкого класса метаплооксидов с использованием имеющегося методического арсенала физики твердого тела и физического материаловедения.
Среди таких исследований центральное место занимает изучение процессов, протекающих в объеме сверхпроводников в условиях воздействия внешних магнитных полей. Это обусловлено в первую очередь вопросами возможности применения данных материалов. Действительно, в целом ряде криогенных устройств и приборов (гравиметрии и навигации) на сверхпроводящие элементы их конструкций действуют постоянные и переменные магнитные поля. Для успешного проектирования и создания такого оборудования необходимо знать и учитывать физические процессы, протекающие в сверхпроводниках, в условиях внешних воздействий, близких к условиям эксплуатации криогенных устройств. В этой связи исследование процессов проникновения магнитного поля, включающее определение полного набора его критических величин, остается актуальной задачей физики сверхпроводников.
Вместе с тем гранулярная структура и многофазность высокотемператур- ных керамических сверхпроводников обуславливает нетревиальность их магнитных свойств и затрудняет определение критических полей. Магнитный поток в такие материалы может проникать не только в виде вихрей Абрикосова (как в классические сверхпроводники 2 рода), но и вихрей Джозефсона (флак-сонов) и гипотетических гипервихрей. Причем существование последних до настоящего времени обусловлено лишь теоретически, в результате чего начальный этап проникновения магнитного поля в ВТСП остается не изученным. В этой связи экспериментальное исследование влияния макроструктуры и фазового состава на процессы, протекающие как в слабых связях, так и в гранулах ВТСП - необходимый шаг на пути построения общей картины проникновения. Это проблема фундаментального уровня, без решения которой техническое использование керамических сверхпроводников не представляется возможным.
Тематика данной диссертации соответствует "Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований","утвержденному Президиумом РАН (раздел 1.2 - "Физика конденсированного состояния вещества"). Выполненная работа является частью комплексных исследований, проводимых по госбюджетным темам НИР № ГБ 04.06 "Разработка, создание и исследование физических процессов сверхпроводящих элементов криогенных устройств" и № ГБ 07.06 "Разработка и исследование физических процессов сверхпроводя-
щих элементов криогенных устройств", а также по гранту «Университеты России» № 3013-05.
Цель работы. Экспериментальное изучение тонких физических процессов, протекающих в высокотемпературных сверхпроводниках, в условиях воздействия малых магнитных полей.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Разработать и создать измерительные установки, позволяющие изучать проникновение постоянных и переменных магнитных полей в высокотемпературные сверхпроводники.
-
Провести исследования сверхпроводников для определения полного набора критических полей, изучить влияние фактора размагничивания на проникновение вихрей Абрикосова в гранулированные и текстурированные сверхпроводники.
-
Установить влияние структуры и фазового состава высокотемпературных сверхпроводников на процессы проникновения магнитного поля.
-
Выяснить роль поверхностного барьера в процессе проникновения различных видов взаимодействующих вихрей.
-
Изучить механизм проникновения в условиях воздействия сверхмалых магнитных полей (В < 1 Гс).
Объект исследований. В качестве объектов исследования были выбраны металлокерамики на основе иттрия (Y-Ba-Cu-O), полученные по двухстадийной керамической технологии и методом текстурирования в расплаве, а также висмутовые металлооксиды ((Bi,Pb)-Sr-Ca-Cu-0), полученные по керамической технологии. Соединение YBa^CibOy-s является типичным представителем высокотемпературных сверхпроводников и может рассматриваться как модельная система для изучения основных физических процессов, протекающих в условиях воздействия внешних магнитных полей. Исследования висмутовых металлокерамик проводилось в сравнении с итгриевыми. Кроме того, выбор материалов обусловлен следующими причинами:
используемые технологии их получения достаточно отработаны, что позволяет изготовлять образцы хорошего качества с заданным фазовым составом, воспроизводимыми свойствами и необходимых размеров;
многие физические свойства данных соединений хорошо изучены, что облегчает интерпретацию полученных в работе результатов.
Научная новизна. В результате проведенных исследований в работе ' впервые:
1. Обнаружен вклад фактора размагничивания в процесс зарождения вихрей Абрикосова в текстурированных MTG-керамиках. Установлено, что проникновение магнитного поля в такие материалы происходит аналогично про-
цессу в классических сверхпроводниках, тогда как для гранулированных ВТСП фактор формы образца не влияет на величину первого критического поля.
-
Установлена роль поверхностного барьера гранул в проникновении вихрей Джозефсона (флаксонов) в систему слабых связей ВТСП. Определены границы их свободного течения. В легированных нормальным металлом керамиках Y-Ba-Cu-O проникновение флаксонов завершается после зарождения вихрей Абрикосова.
-
Приведены доказательства того, что магнитный поток проникает в ВТСП, начиная со сверхмалых полей ~10мГс, а вихри Джозефсона и Абрикосова возникают в результате трансформации уже проникших объектов. Для объяснения результатов предложена концепция, основанная на модели гипервихрей.
-
Получены результаты, подтверждающие наличие сильного пиннинга гипервихрей.
-
Показано, что проникновение поля в многофазные металлооксиды (на основе висмута) происходит лавинообразно, начиная с очень малых его значений, что обусловлено отсутствием в них единой джозефсоновской среды.
Практическая значимость работы. Полученные результаты способствуют углублению фундаментальных представлений о процессах, происходящих в керамических сверхпроводниках с различной структурой и фазовым составом находящихся в магнитных полях. Это в свою очередь является необходимым для целенаправленного создания новых ВТСП с заданными свойствами, которые могут использоваться при разработке сверхпроводящих элементов криогенных устройств, например, высокочувствительных ВТСП сквидов и их входных элементов (трансформаторов потока). Результаты по динамике магнитного потока в слабых магнитных полях актуальны для снижения собственных магнитных шумов датчиков и повышения чувствительности измерительной аппаратуры.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту. На основании результатов проведенных исследований были сформулированы следующие основные положения, выносимые на защиту:
-
Фактор формы оказывает существенное влияние на процесс проникновения вихрей Абрикосова в случае текстурированных ВТСП, но слабо проявляется в гранулированных металлооксидах, ввиду однородного распределения магнитного поля в их межгранульной среде.
-
Влияние поверхностного барьера гранул на проникновение флаксонов в систему слабых связей ВТСП в условиях их взаимодействия с вихрями Абрикосова.
-
Проникновение сверхмалого магнитного поля (В < 1 Гс) в естественную джозефсоновскую среду иттриевых ВТСП происходит в три этапа.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на XXI Международной конференции «Нелинейные процессы в твердых телах» (Воронеж, 2004); VI и VII Международных конференциях «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 2005, 2007); Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела»: ФТТ-2005, ФТТ-2007 (Минск, 2005, 2007); IV Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика «ФиПС-2005» (Москва, 2005); V Международном семинаре по физике сегнетоэластиков (Воронеж, 2006); XIII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-13» (Ростов-на-Дону - Таганрог, 2007); I Международной научно-практической конференции «Молодежь и наука: реальность и будущее» (Невинномысск, 2008), а также на 46, 47, 48-ой научных конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2006, 2007, 2008)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 3, 5-17] - подготовка к эксперименту, [13] - приготовление и аттестация образцов, [1, 3, 5-17] - получение и анализ экспериментальных данных, [1-17] - участие в обсуждении полученных результатов и подготовке работ к печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 137 наименований. Основная часть работы изложена на 126 страницах, содержит 52 рисунка, 2 таблицы.
