Введение к работе
.-.1-
Актуальность темы. С открытием высокотемпературных сверхпроводников (ВТ-СП) большое внимание уделяется электродинамике сверхпроводников второго рода. Это объясняется тем, что электродинамический отклик сверхпроводника дает ценную информацию о глубине проникновения и потерях анергии переменного поля в нем. Такая информация важна для технического применения B'l'Cfl, например, при создании линий передачи мощности и резонаторов. Также детальное измерение функций отклика может дать информацию о тиле сверхпроводящего спаривания и концентрации пар. Так, в отсутствие вихрей, мнимая часть импеданса может быть связана с Лондоновской глубиной проникновения, а реальная часть-со спектром квазичастичных возбуждений.
В смешанном состоянии электродинамический отклик сверхпроводника второго рола определяется динамикой вихрей. В ВТСП свойства вихревого потока сильно отличаются от вихревых свойств в низкотемпературных сверхпроводниках. Это связано с большой анизотропией, милой длиной когерентности и более высокой возможпой температурой в высокотемпературных сверхпроводниках. Зіи факторы приводят к сильному крину и плавлению вихревой решетки (смотри обзор []]). Также ВТСП имеют слоистую структуру, которая сильно влияет на их физические свойства. Большинство анизотропных ВТСП можно рассматривать как квази-20 сверхпроводники, состоящие из слабо связанных сверхпроводящих слоев. Благодаря 2D структуре ВТСП испытывают переход Березинскоіо- Коетерлица-Таулесса с тепловым созданием 2D вихрей (1). Свойства металлооксидпых Н'ГСП в керамической форме определяются сетью слабых связей, формируемых межгрануляриыми контактами. В связи с этим вихри магнитного потока в ВТСП керамиках могут быть разделены ил дне группы: виутригранульные и межгранульные вихри. Когда иоле унелнчшшетсл от нуля, межгранульные вихри могут быть захвачены в слабых связях в области нолей // > //", где //^-первое критическое ноле слабых связей. В интервале, нолей
/J < II < //,.1 Гранулярный СВерХПрОВОДНИК С реПіеТКОЙ МЄЖІ рнНуЛЬНЫХ ВИХрі'ІІ
ведет себя подобно сверхпроводнику второго рода п смешанном состоянии [2]. Это явление проникновения магнитного моля в слабые сьнзн и м'рнмичі'скп* ВТС'П получило название низкополевой электродинамики (3|. Когда магнитное полі
превышает первое критическое поле ЯСІ1 флуксопы начинают входить в гранулы, создавал решетку абрикосовскнх вихрей. В настоящее время изучение структуры и свойств вихревого потока является одной из центральных проблем высокотемпературной сверхпроводимости. Электродинамический отклик дает пенную информацию о динамике вихрей, и новтому его использование является одним из самых важных методов при исследовании ВТСН.
Эффективным методом изучения влектродкнамического поведения в сметанном состоянии является измерение поверхностного импеданса, т. е. измерение отклика на перемеїшое магнитное поле в присутствии постоянного магнитного ноля, направление которого может меняться от перпендикулярного к параллельному по отношению к границе сверхсроводника (перпендикулярная и параллель-ьая геометрии соотвегственно)[4]. А.с. отклик сверхпровоцника в смешанном состоянии интенсивно изучался теоретически до [5j и после (1) открытия высокотемпературной сверхпроводимости. Если можно пренебречь ловерхностным и обьемным ниннингом, а с. отклик сверхпроводника в низкочастотном пределе подобен отклику нормального проводника [6] с магнитной проницаемостью /і, учитывающей диамагнетизм сметанного состояния, и с сопротивлением,равным сопротивлению течению потока р/. Тогда поверхностный импеданс может быть получен с помощью формулы влектродинамики сплошной среды [6]:
M-l^f- «->
.Значение ма гнитной проницаемости ft для различных геометрий было определено в работе [6]: ц = ВІН для перпендикулярной геометрии и // — dB/dll для параллельной геометрии. Эффект диамагнетизма ос 1 — (і мал и плотной иихре-во'і решетке, но несмотря на что он представляет большой иитерт, так как он прямо связан с упругими свойствами вихревой структуры (1],[5| [Іовтпму, ні-учан, как диамагнетизм вихревого массива влил.'Т на поверхностный импеданс. и используя измерения поверхностного импеданса, можно получить данные о фа-2очоіі диаграмме и ф'азоиых переходнх сверхпроводника в смешанном состиннии (решетка, жидкость, стекло и другие) (]].
В преде.іе сильных полей // 'Л- /V, і і- - * 1 и уоаьнепие (І) даі*т iht.oe же шаче нне Z, 11210110^1111^1^1/11.:10(1 ^/rZt как н гл\ чі.е перпендикулярной, тик :i нар.ілл'-.чі.-
-s-
нои геометрий. Однако в некоторых експериментах (смотри, например, [4]) поверхностное сопротивление (пропорциональное реальной части поверхностного импеданса) в параллельной геометрии было много меньше,чем для других направлении; постоянного внешнего поля. Поэтому было бы интересно последовательно вывести уравнение (1) для различных геометрий из динамических уравнений для вихревой решетки.
Уравнение (1) описывает однородные сверхпроводники, однако все открытие высокотемпературные сверхпроводники являются сильно анизотропными, слоистыми системами. В качестве модельных объектов для таких систем в последнее. время интенсивно изучаются искусственные сверхструктуры [1]. Меняя различные параметры в таких сверхрешетках, можно моделировать реальные физические процессы в слоистых сверхпроводішквх. При атом большое значение для электродинамического отклика слоистых сверхпроводников в смешанном состоянии имеют следующие вопросы: влияние ниннинга вихрей на границах между слоями; влияние нормальных иесверхпроводящих слоев. В связи с этим предела вляет интерес проблема влияния диамагнетизма смешанного состояния на «лек тродинамику слоистых систем с учетом указанных особенностей.
В сильнонеупорядоченыых гранулированных сверхпроводниках уравнение (1) также не применимо. Лля объяснения низкополевой электродинамики межі рд-иульяых вихрей были, предложены различные теории: модель сверхпроводящем» спинового стекла, модель критического состояния, модель перколяциошшх коп-туров, которые применяются для описания различных експерименти. Ц обычных низкотемпературных сверхпроводниках при описании экспериментов по пр»ь кикноиешгю магнитного поля и магнитной релаксации успешно применялась м<>. дель критического состояния [7]. В связи с атим возникает проблема применимо сти этой модели для описания таких икснериментсв ьгранулярных сверхпроводниках. *
Все сказанное аыше и обуславливает актуальность і ем и данной лиссеріаціш.
Целью исследования является построение последовательной теории >леыро динамического отклики однородных и слоистых сверхпроводником И'іОроіо рола, учитывающей диамагнетизм смешанного состояния, а также определении применимости модели критического состоянии для описания пи.ьополепон л;-.екіро.ш-
-б-
ііілмпиі гранулярных сверхпроводпикоо. Науччая новизна работы заключается и том, что в ней впервые дано решение следующих задач.
1. Построена влектродинамическая теория, последовательно учитывающая
одновременно дальнодействующее взаимодействие между вихрями и упругие свой
ства вихревой решетки.
'2. Принимая во внимание магнитную проницаемость вихревой решетки, вычислен поверхностный импеданс сверхпроводника второго рода в смешанном состоянии для произвольных ориентации постоянного и неременного магнитных полей.
3. Определено влияние поверхностного тшнинга на влектродинамический от
клик сверхпроводников в смешанном состоянии.
-
Определен аффект безвихревой области и барьера Бина-Ливингстона на электродинамический отклик сверхпроводника в смешанном состоянии.
-
Исследован поверхностный импеданс слоистой сверхпроводящей системы с учетом дополнительной упругой вихревой моды.
Основные положения, выносимые на защиту.
J. Сформулированы алектродинамические уравнения, последовательно учитывающие одновременно дальнодействие между вихрями и их упругие свойства (двухмодовая электродинамика).
2. Вычислен поверхностный импеданс сверхпроводника второго рода в сме
шанном состоянии с учетом магнитной проницаемости вихревой решетки для про
извольных ориентации переменного и постоянного полей.
3 Лля перпендикулярной геометрии найден кроссовер между полевыми зависимостями поверхностного импеданса от линейной к кориеквадратичной при магнитной индутпи, равной нижнему критическому полю.
4. Найдено индуцированное поверхностным пиннингом сильное подавление поверхностною сопротивления в перпендикулярной геометрии.
й. Найдено существенное подавление а.с. потерь дли постоянного'магнитного иол.ч,параллельного поверхности сверхпроводника. Этот аффект обусловлен барьером Вина- Ливиигстоиа, который препятствует выходу и входу вихрей в сверхпроводник и сильно влияет на поверхностный импеданс. Найден угол между Hanpaiuiem-it'M постоянного поля и поверхностью сверхпроводника, при котором
ПРОИСХОДИТ КрОССС'Ь^р ОТ обыЧПЮГО Электродинамического поведении К llltlMMU'-
нию, определяемому барьером Бина-Ливингстоиа.
6. Получено точное решение для поцерхпостного импеданса сверхпроводя
щей сверхретегки, состоящей из слоев двух типов (широкие слои с очень сла
бым пиннкнгом и очень тонкие слои с сильным пиннингом), а перпендикулярном
магнитном поле. По сравнению с монотонной иагнетоцолевой зависимостью по
верхностного сопротивления для однородных сверхпроводников, эта завис имость
немонотонна и в сильных магнитных нолях потери уменьшаются при увеличении
постоянного магнитного поля для рассмотренной сверхрешетки.
7. Изучена электродинамика многослойной сверхпроводящей системы, состо
ящей из слоев двух типов: слои сверхпроводника второго рода и слои нормаль
ного металла в перпендикулярном магнитном поле при различных параметрах
структуры. Показано, что в низкочастотном пределе возможно отсутогзие крос
совера от линейной к корнекнадратичной зависимости при уменьшении толщины
сверхпроводящих слоев.
8. На основе анализа экспериментов по проникновению переменного поля,
магнитной релаксации и захвату магнитного потока показала применимость мо
дели критического состояния для описания свойств межгранульных вихрей в ке
рамических ВТСП. Определена форма зависимости критического тока слабых
связей от поля и влияние на нее захваченных внутригранулъиых вихрей. Показа
но, что эта зависимость может привести к максимуму в полученной из скорости
релаксации захваченного магнитного момента зависимости впергии пиншшга о г
намагничивающего поля.
Практическая цепность. Развитая феноменологическая теория электродинамики смешанного состояния сверхпроводников второго рода лажна для правильного определения параметров сверхпроводника (Лондоновской глубины проникновения, вязкости вихрей, энергии пиншшга вихрей и т. д,) из експериментальних данных. То есть она является необходимым связующим звеном между микроскопической теорией и экспериментом. Исследование магнетополевой зависимости поверхностного импеданса сверхпроводников важно для создания приборов СВЧ электроники (например переключач^лей, вентилей и т.д.) и микроэл«;ктр<>-ники. Исследование свойств захваченного магнитного момента и экрлниронянин переменною ноля нажни для создания магнитных экранов, постоянных магнигоц
и соэдагош систем, использующих левитацию сверхпроводника в магнитном поле.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах в ФТИ І'АН, 26, 29 и 30 совещаниях по физике низких температур (Донецк, 1990, Казань, 1992 и Дубна, 1994), 19 и 20 Intern. Conf. on Low Teinpeiature Physics (Brighton, 1990 и Oregone, 1993), LT-19 sattellite conference on High temperature Superconductivity (Cambridge, 1999), International Conference on High Temperature Superconductivity and Localization phenomena (Moscow, 1991), 22nd European Sumpmium on the dynamical propel tie» of Bolide (Schellerhau, 1992), 13th General conference of the Condensed Matter Division European Physical Society (Regene-burg, 1993), 4th International conferenceon Materiale and Mechanisms of superconductivity, High-temperature superconductoie (Grenoble, 1994).
П у б ликации. Но результатам диссертации опубликовано 8 статей. Список статей приведен в конпе автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, изложенных иа 91 странице машинописного текста. Диссертачия включает также 19 рисунков и список литературы из J15 наименований. Обший объем диссертации составляет 124 страницы.