Введение к работе
Актуальность темы. С открытием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) встал вопрос об исследовании их физических свойств, и в особенности теплоемкости и теплопроводности. Теплоемкость -параметр, чувствительный к изменениям энергетического спектра твердого тела, который дает богатейшую информацию для понимания природы высокотемпературной сверхпроводимости. Из данных теплоемкости можно определить важнейшие характеристики сверхпроводника: экспоненциальные и линейные вклады в теплоемкость, константу электрон-фононного взаимодействия, плотность электронных состояний вблизи поверхности Ферми, ширину энергетической щели, длину когерентности, а также отдать предпочтение тому или иному механизму сверхпроводимости. Прецизионные измерения в окрестности сверхпроводящего перехода позволяют количественно оценить влияние флуктуации на теплоемкость и теплопроводность: рассчитать критические индексы и амплитуды, число компонент параметра порядка, пространственную размерность и др. величины флуктуационной теории фазовых переходов.
Из экспериментальных данных теплопроводности можно оценить роль различных механизмов теплопереноса и рассеяния носителей. Одновременное измерение теплоемкости и теплопроводности имеет то преимущество, что позволяет в одном эксперименте получить информацию о термодинамических и кинетических характеристиках сверхпроводящего состояния. Однако исследование тепловых свойств высокотемпературных сверхпроводников представляет собой трудную экспериментальную задачу, так как, подчас, величина аномалии и погрешность эксперимента сравнимы друг с другом. Из-за этого во многих статьях, посвященных исследованию тепловых свойств ВТСП, делаются лишь качественные заключения относительно некоторых их свойств, и особенно при оценке влияния термодинамических флуктуации в области сверхпроводящего перехода.
Работа, посвященная экспериментальному исследованию тепловых
свойств моно- и поликристаллических высокотемпературных
сверхпроводников в широком интервале температур и главным образом в области сверхпроводящего перехода с целью изучения влияния термодинамических флуктуации на тепловые свойства высокотемпературных сверхпроводников, выполнена в соответствии с общеакадемической программой фундаментальных исследований по комплексной проблеме "Физика твердого тела"; Государственной программой СССР "Высокотемпературная сверхпроводимость", проект №531 "Спинон"; Российской научно-технической программой "Высокотемпературная сверхпроводимость", проект №92069 "Спинон"; грантом Американского физического общества: "High Temperature Superconductivity: the Fluctuation Effects and the Transfer Phenomena".
Цель работы:
Прецизионные измерения теплоемкости, термодиффузии и теплопроводности поли- и монокристаллических ВТСП на основе иттрия и висмута в окрестности сверхпроводящего перехода, а также в широком интервале температур (4.2-300К).
Выявление роли и оценка величины фононной и электронной компонент теплоемкости.
Определение из экспериментальных данных различных характеристик ВТСП: величины скачка теплоемкости АСР, ширины сверхпроводящего перехода АТС, критической температуры Тс, коэффициента Зоммерфельда у, температуры Дебая 8D, ширины энергетической щели А, константы электрон-фононного взаимодействия X.
Выяснение механизмов теплопереноса и рассеяния носителей тепла.
Количественная оценка влияния флуктуации на тепловые свойства: определение критических индексов и амплитуд, числа компонент параметра порядка л и пространственной размерности сверхпроводящих флуктуации d.
Научная новизна:
Создана полностью автоматизированная экспериментальная установка для одновременного прецизионного измерения теплоемкости и термодиффузии тонких образцов и получены новые научные результаты по теплофизическим свойствам ВТСП.
Экспериментально выявлены ранее неизвестные особенности в поведении теплоемкости, термодиффузии и теплопроводности вблизи Тс, связанные со сверхпроводящими флуктуациями, и дана их интерпретация на основе современной теории критических явлений (скейлинг и РГ-гипотеза). Дана количественная оценка флуктуационных эффектов в теплопроводности ВТСП, определены критические индексы и критические амплитуды.
На основе экспериментальных данных электропроводности, теплоемкости и теплопроводности показано, что при приближении к Тс наблюдается кроссовер от двумерного к трехмерному критическому поведению.
- Обнаружено влияние структурной неустойчивости на теплоемкость ВТСП
керамики Ві12РЬо.88г2Са2СизОх, проявлявшееся ранее в измерениях
теплового расширения.
Научная и практическая ценность. Полученные результаты обогащают представления о закономерностях фазовых переходов в сверхпроводниках и механизмах высокотемпературной сверхпроводимости. Разработаны методика и полностью автоматизированная экспериментальная установка для одновременного прецизионного измерения теплоемкости и теплопроводности. Разработанные и изготовленные нами цифровые электронные схемы генератора и фазовращателя намного дешевле аналогичных серийно-выпускаемых приборов и превосходят их по точности и воспроизводимости установки частоты и фазы. Программа управления экспериментом НЕАТ-
MASTER совместима с операционными системами MS-DOS и Windows'95 , рассчитана на работу с различными электроизмерительными приборами, термопарами и угольными термометрами сопротивления, имеет удобный интерфейс пользователя, и в силу своей универсальности и перестраиваемости может быть использована для измерения не только тепловых, но и электрических, магнитных и др. свойств веществ.
Результаты исследований используются при чтении спецкурсов
«Современные проблемы физики», «Высокотемпературная
сверхпроводимость», «Тепловые свойства твердых тел» на физическом факультете Дагестанского государственного университета.
На защиту выносятся:
-
Автоматизированная экспериментальная установка, позволяющая проводить прецизионные одновременные измерения теплоемкости, термодиффузии (температуропроводности) и теплопроводности тонких пластин новым методом.
-
Результаты экспериментального исследования теплоемкости ВТСП керамики YBa2Cu307-5 в области структурной неустойчивости при 95 К, связанная с упорядочением кислородных вакансий.
-
Экспериментальные данные теплоемкости, термодиффузии и теплопроводности монокристаплического образца ВТСП YBa2Cu307.5.
-
Экспериментально установленная взаимосвязь ширины сверхпроводящего перехода АТС, Тс и скачка теплоемкости АСр с дефицитом кислорода 5.
-
Результаты первых измерений теплопроводности одного и того же ВТСП монокристалла YBa2Cuj07-5 как в ай-плоскости, так и в направлении с-оси в интервале 4-300 К, показывающие отсутствие аномалии теплопроводности для с-оси вблизи Тс.
-
Результаты исследования влияния термодинамических флуктуации на теплоемкость ВТСП керамик УВагСизС^-б и (YBa2Cu307.s)o.9Ago.b позволившие обнаружить 5
-
Данные электропроводности, теплоемкости и теплопроводности, позволившие подтвердить трехмерный характер сверхпроводимости в непосредственной близости к Тс и кроссовер от двумерного к трехмерному критическому поведению при Т->ТС.
Достоверность результатов диссертационной работы. Основные научные положения и выводы сформулированы на основе достоверных экспериментальных данных и общепринятых теорий сверхпроводимости. Измерения проводились с использованием отечественных и зарубежных прецизионных приборов, а экспериментальная установка была апробирована исследованиями меди и плавленого кварца. Калибровка термопар и контроль за их работой осуществлялся по платиновому термометру сопротивления, изготовленному во ВНИИФТРИ. Термопары медь-константан, хромель-константан изготавливались с помощью точечной микросварки из термопарных проволок от "Omega Engineering, Inc." (P.O. Box 4047, Stamford,
CT 06907-0047, USA. TEL. (203) 359-1660; TELEX 996404; FAX (203) 359-7700; CABLE OMEGA). На них имеются калибровочные полиномы и таблицы в соответствии со стандартом ITS-90 (International Temperature Scale of 1990) от ISA (Instrument Society of America). Многократное (до 50000 раз) усреднение измеряемых величин и использование переменных с двойной точностью в программе HEAT-MASTER позволило значительно уменьшить относительные погрешности измерений.
Апробации и публикации. Основные результаты, включенные в диссертацию, докладывались и обсуждались на II Всесоюзном семинаре "Магнитные фазовые переходы и критические явления" (Махачкала, 1989г.), XI Международном симпозиуме по теплофизическим свойствам веществ (Боулдер, Колорадо, США, 1991 г.), 9 теплофизической конференции СНГ (Махачкала, 1992 г.), Международной теплофизической школе (Тамбов, 1992 г.), Республиканской научно-технической конференции (Баку, 1992), XIII Европейской конференции по теплофизическим свойствам (Лисбон, Португалия, 1993), Всероссийской конференции по широкозонным полупроводникам (Махачкала, 1993 г.), XII Международном симпозиуме по теплофизическим свойствам веществ (Боулдер, Колорадо, США, 1994 г.), V Международном симпозиуме "Неоднородные электронные состояния" (Новосибирск, 1995 г.), XIV Европейской конференции по теплофизическим свойствам (Лион, Франция, 1996 г.), ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Даггосуниверситета (1988-1992), научных семинарах лаборатории физики низких температур и сверхпроводимости и общеинститутских семинарах Института физики Дагестанского научного центра РАН (1989-1997), и отражены в 15 научных публикациях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, изложенных на 130 страницах, содержит 54 рисунка, 13 таблиц. Библиография включает 219 наименований.
