Введение к работе
Актуальность темы. Яркими примерами нелинейных неравновесных стохастических систем являются гранулированные высокотемпературные сверхпроводники, в которых обнаружен совершенно новый тип критического состояния — самоорганизованное критическое состояние, и системы, демонстрирующие on-off перемежаемость, в которых обнаружено новое явление — сверхчувствительность к слабым переменным сигналам. Эти системы объединяет не только существенная, а в случае on-off перемежаемости — определяющая, роль флуктуации, но и скей-линговые зависимости основных вероятностных характеристик. Как известно, в области низкополевой электродинамики (когда магнитное поле не проникает в гранулы) гранулированные сверхпроводники представляют собой джозефсоновскую среду. В работе [1] показано, что когда в элементарном контуре, образованном соседними гранулами, пиннингуется большое число квантов магнитного потока, гранулированный сверхпроводник обладает большим числом метастабильных состояний, что характерно для самоорганизованной критичности (СОК) [2]. Такая система самопроизвольно в процессе эволюции приходит к критическому состоянию, поддержание которого происходит "автоматически", без какой-либо подстройки извне, а система теряет характерные масштабы длины и времени, и ее корреляционные функции имеют степенные асимптотики. При этом оказывается, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) является пространственно изотропной, т.е. не зависит от силы Лоренца, а флуктуации тока или напряжения очень сильны. В частности, в системе могут возникать гигантские "лавины", которые в нашем случае представляют собой всплески напряжения в образце.
Такое поведение систем с СОК во многом аналогично поведению систем с on-off перемежаемостью [3], где спокойные, ламинарные фазы чередуются с резкими всплесками в реализации случайного процесса. Такое поведение также описывается степенными вероятностными характеристиками [4],[5].
С другой стороны, сложная иерархическая структура самоорганизованного критического состояния, в котором существует большое число потенциальных барьеров, высоты которых могут испытывать флуктуации, приводит к необходимости вначале понять поведение простой системы с флуктуирующим потенциальным барьером.
Отметим и другой аспект этой проблемы. В последнее время роль шума в физических системах подверглась существенной переоценке благодаря обнаружению ряда интересных вызванных им явлений, например, стохастический резонанс и т.п.. Таким примером конструктивной роли шума является и обнаруженная нами сверхчувствительность в системе с on-off перемежаемостью [б]-[8], когда под влиянием сильного мультипликативного шума система способна усиливать сверхслабый переменный сигнал до величины порядка размера системы.
Таким образом, изучение неравновесных стохастических систем, каковыми являются гранулированные сверхпроводники и системы с флуктуирующим потенциальным барьером, и связанных с этим явлений самоорганизации критического состояния и on-off перемежаемости представляет большой общефизический и технический интерес.
Целью диссертационной работы является изучение свойств критического состояния гранулированных сверхпроводников и индуцированного мультипликативным шумом усиления в стохастических системах с on-off перемежаемостью. Исходя из этого, были определены следующие конкретные научные задачи:
1. Исследовать критическое состояние в ВТСП керамике
и определить модель, адекватно описывающую его основные
свойства, для чего необходимо:
изучить зависимости ВАХ от угла между магнитным полем и током;
изучить спектр флуктуации напряжения в перпендикулярной и в параллельной геометрии эксперимента;
рассмотреть влияние различных внешних параметров (напряженности магнитного поля, температуры, величины транспортного тока) на ВАХ и спектральную плотность.
2. Исследовать индуцированное мультипликативным шумом
усиление в нелинейном передемпфированном осцилляторе, изу
чить влияние на это усиление корреляционных характеристик
управляющего шума.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней
впервые проведено детальное изучение в широкой области температур и магнитных полей зависимостей ВАХ, удельного сопротивления и плотности критического тока от угла, образованного внешним магнитным полем и транспортным электрическим током в керамическом сверхпроводнике;
впервые проведено изучение компоненты электрического поля, перпендикулярной току, как естественной меры анизотропии ВАХ;
впервые изучена угловая зависимость спектральной плотности флуктуации напряжения в керамических ВТСП в параллельной геометрии эксперимента;
изучено явление индуцированного мультипликативным шумом усиления в нелинейном передемпфированном осцилляторе и впервые экспериментально показана возможность такого усиления для слабых знакопеременных сигналов;
изучено влияние времени корреляции управляющего шума
на индуцированное усиление и показано, что существует оптимальная область корреляционных времен, когда усиление максимально, и что индуцированное шумом усиление носит универсальный характер.
Научная и практическая значимость работы:
экспериментально подтверждено, что критическое состояние в гранулированных сверхпроводниках является самоорганизованным, т.к. показано, что ВАХ гранулированных сверхпроводников хорошо описывается изотропной моделью и что спектральная плотность флуктуации напряжения в параллельной геометрии слабо зависит от угла между током и магнитным полем;
показано, что модель независимого движения квантов потока удовлетворительно описывает частотно- независимую область спектра флуктуации напряжения в толстопленочных YBaCuO сверхпроводниках; деградация материала после отогрева в обычных условиях приводит к l/f-спектру и к увеличению интенсивности шума на несколько порядков. В ВТСП керамике обнаружено, что флуктуации напряжения в режиме течения потока также является результатом динамики магнитного потока с долговременными корреляциями в сверхпроводнике;
изучено явление индуцированного мультипликативным шумом усиления в нелинейном передемпфированном осцилляторе, что может позволить создавать на основе этого эффекта новые приборы (детекторы слабых сигналов и т.п.), показано также, что усиление носит универсальный характер;
изучено влияние времени корреляции управляющего шума на индуцированное усилене и показано, что существует оптимальная область корреляционных времен, когда усиление максимально;
при проведении работы создана установка флуктуационной
спектроскопии для измерения спектральной плотности флуктуации напряжения в резистивном состоянии сверхпроводников, достигнутая чувствительность близка к рекордным в мировой практике.
Основные положения, выносимые на защиту.
Проведенное изучение электрических полей (вольт - амперных характеристик), продольных и поперечных направлению тока в сверхпроводнике, как функций угла между током и внешним магнитным полем показало, что модель изотропной ВАХ наиболее адекватно описывает экспериментальные результаты. При этом показано, что компонента электрического поля, перпендикулярная току, является естественной мерой анизотропии ВАХ.
Впервые исследована угловая зависимость спектральной плотности флуктуации напряжения в керамических ВТСП и обнаружено, что эта зависимость относительно слабая, что подтверждает вывод о том, что критическое состояние в гранулированных сверхпроводниках является самоорганизованным. Обнаруженная частотная зависимость спектра флуктуации напряжения вида І/f также свидетельствует в пользу такого заключения, поскольку она соответствует процессам с долговременными корреляциями.
Таким образом, показано, s:o модель самоорганизованного критического состояния адекватно описывает свойства гранулированных сверхпроводников.
- Проведено исследование шумовых свойств керамических и тол
стопленочных YBaCuO ВТСП материалов в перпендикулярной
геометрии. Показано, что модель независимого движения кван
тов потока удовлетворительно описывает частотно- независи
мую область спектра флуктуации напряжения в толстопленоч
ных сверхпроводниках. В керамических ВТСП обнаружено, что
флуктуации напряжения также являются результатом динамики
магнитного потока с долговременными корреляциями. - Изучено явление индуцированного мультипликативным шумом усиления в нелинейном передемпфированном осцилляторе. Впервые экспериментально показана возможность такого усиления для слабых знакопеременных сигналов. Изучено влияние времени корреляции управляющего шума на индуцированное усиление и показано, что существует оптимальная область корреляционных времен, когда усиление максимально. Продемонстрирована универсальность такого усиления.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 5-м Международном симпозиуме "Неоднородные электронные состояния" (г.Новосибирск, 1995), на XXXI Совещании по физике низких температур (г.Москва, 1998г.), на IV Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов (г.Санкт-Петербург, 1999), Зимней школе по физике конденсированного состояния ПИЯФ РАН (1998г.), а также на общеинститутских семинарах по физике конденсированного состояния.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в ведущих научных журналах, в материалах научных конференций и в препринтах ПИЯФ РАН.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Объем диссертации составляет 153 страницы, в том числе 40 рисунков. Список литературы содержит 208 наименований.
