Необратимая намагниченность и критические токи в гранулярных сверхпроводниках Кокорина, Елена Евгеньевна

Введение к работе

Актуальность темы.

При изучении макроскопических свойств сверхпроводящих материалов одной из основных характеристик является критический ток образца. Прямые и лерения критического тока малодоступны для многих исследовательских групп в связи с техническими трудностями. Поэтому, у экспериментаторов популярна формула Бина', позволяющая определить критический ток из ширины петли гистерезиса намагниченности. Так, для пластины толщиной D из жесткого сверхпроводящего материала Л рода используется выражение

4»гДМ a —JaD. (1)

с .

&га формула получена в модели критического состояния, учитывающей зацепление вихрей на центрах шшнинга, суігрощенньш предположением j_e{B) = jo = const.

В то же время, большинство Cu-оксидных ВТСП являются керамг _; ческими образцами, которые можпо рассматривать, как гранулярные сверхпроводники, состоящие из анизотропных сверхпроводящих гранул, соединяющихся друг с другом слабыми сверхпроводящими СВЯ"-эями.

В гранулярных ВТСП соотношение (1) нарушается и существуют, по крайней мере, две причины, которые ведут к этому нарушению.. Во-первых, это сильная полевая зависимость межгранульных критических токов, не учитываемая в простой модели Бина. Во-вторых, при изменении поля в гранулярном ВТСП возбуждаются как слабые межгранульные, так и сильные виутригралульные критические токи, которые по-разному зависят от локальной магнитной индукции и которые одновременно, но с разными весами дают вклады в необратимую намагниченность. Проблема состоит в том, что объемы координатного пространства, в которых циркулируют эти типы токов, различаются на несколько порядков, так что становится неясным, какой вклад дает каждый тип токов в экспериментально измеряемую петлю гистерезиса необратимой намагниченности.

В связи с этим теоретический анализ намагниченности гранулярного сверхпроводника с одновременным учетом вкладов внутригра-нульных и межграиульных критических токов представляет достаточно большой интерес как с точки зрения дальнейшего развития теории критического состояния, так и с точки зрения экспериментальных исследований.

Цель а задачи работы - теоретическое исследование намагниченности гранулярного сверхпроводника с одновременным учетом вкладов внутригранульных и межгранульных критических токов.

В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:

1. Последовательно вывести уравнения критического состояния, учитываю щие одновременное существование межгранульных и внутри-гранульных критических токов.

2. Проанализировать возможные физические ситуации, позволяющие отделить вклады внутригранульных и межгранульных критических токов друг от друга.

3. Объяснить появление своеобразных особенностей на гистерезнс-ной петле в области низких полей.

4. Выяснить влияние выбора граничных условий и учета поверхностных барьеров на форму петли гистерезиса намагниченности.

5. Обобщить теорию критического состояния для высокотемпературных магнитных сверхпроводников с редкоземельными ионами на случай-гранулярных керамических магнитных сверхпроводников.

6. Найти способы оценки внутригранульного критического тока в магнитных сверхпроводниках.

7. Выяснить, как существование межгранульной среды со слабыми критическими токами проявит себя на кривых ZFC (охлаждение в нулевом магнитном ноле), FC (охлаждение в конечном магнитном поле) и остаточной намагниченности гранулярного сверхпроводника по сравнению с аналогичными кривыми для однородного сверхпроводника II рода.

Практическая ценность.

Полученные в диссертацшГосновные уравнения критического состояния гранулярного сверхпроводника, создают основу для дальнейшего использования модели критического состояния при анализе необратимой намагниченности неоднородной сверхпроводящей среды. Предложенная процедура разделения вкладов внутригранульных и межгранульных критических токов в ширину петли гистерезиса намагниченности в области низких полей позволяет по отдельности оценить плотности межгранульного и внутригранульного критического тока. Для магнитных гранулярных сверхпроводников предложен новый дополнительный способ оценки плотности внутригранульного критического тока.

Научная новизна.

Получены основные" уравнения критического состояния, последовательно учитывающие одновременный вклад как сильных внутригранульных, так и слабых межгранульных критических токов в необратимую намагниченность сверхпроводника. Установлена связь расположения характерных особенностей на низкополевом участке петли гистерезиса гранулярного сверхпроводника с величиной первого критического поля гранулы. Показано, что наличие поверхностного барьера в сочетании с нелинейной полевой зависимостью граничных значений

магнитной индукции на поверхности гранулы педет к дополнительному сужению иетли гистерезиса в области высоких полей. Обнаружено, что на кривых ZFC и остаточной намагниченности грануляр-вого сверхпроводника по сравнению с аналогичными кривыми однородного сверхпроводника возникают в интервале температур 0 < Г < Tirr,m (Tj„,m - температура необратимости матрицы) дополнительные вклады, связанные с появлением межгравульных критических токов. На защиту выносятся следующие положения;

1. Основные уравнения критического состояния для грануляр
ных сверхпроводников, последовательно учитывающие как сильные
ввутригранульные, так и слабые межгранульные критические токи.

2. Процедура разделения вкладов ввутритранульных и межгранульных критических токов в ширину петли гистерезиса намагниченности в области низких полей. >

3. Связь расположения характерных особенностей ва петле гистерезиса гранулярного'сверхпроводника с величиной первого критического поля" гранул Н_с\,.

4. Влияние поверхвоствого потенциального барьера гранулы (в со-. четании с нелинейностью полевой зависимости граничных условий) ил дополнительное сужение петли гистерезиса в области высоких олей.

5. Два способа оценки внутригравульвого критического тока в магнитных сверхпроводниках: во-первых, по магнитным измерениям ширины петли гистерезиса намагниченности, с учетом корректировки на наличие локализованных магнитных моментов; во-вторых, по измерению характерного поля, при котором на кривой первоначального намагничивания диамагнитный вклад сверхпроводящих экранирующих токов компенсируется парамагнитным вкладом от намагничивания локализованных моментов.

6. Связь дополнительных вкладов на температурных кривых ZFC и остаточной намагниченности в интервале температур 0 < Т < Г«гг,_т (по сравнению с аналогичными кривыми однородного сверхпроводника) с появлением межгранульных необратимых токов.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на научной конференции Института электрофизики УрО РАН (Екатеринбург, 1995), на школе-симпозиуме по теоретической физиков "Коуровка" (Ижевск, 1996) и на XII Уральской Международной конференции по физике полупроводников (Екатеринбург, 1997).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ и тезисы, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и четырех приложений. Она изложена на 144 страницах, включая 16 рисунков и список литературы из 80 наименований.