Пиннинг и динамика вихрей в высокотемпературных сверхпроводниках Жуков, Александр Александрович

Введение к работе

Актуальность темы. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости [1] является одним из выдающихся событий этого столетия. Оно привело к многократному увеличению температуры сверхпроводящего перехода по сравнению с традиционными сверхпроводниками и представлялось открывающим немедленные возможности для многочисленных практических применений. Среди областей возможного использования высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), неоднократно обсуждаемых в литературе, назывались энергетика, транспорт, медицина, приборостроение и другие.

Однако довольно скоро стали понятны и препятствия, возникающие на этом пути. Основным среди них является необходимость увеличения плотности критического тока J_c при азотной температуре и уменьшения ее деградации в магнитном поле (подавление зависимости J_C(H)). Сегодня решению этой задачи в той или иной степени посвящены работы более половины исследователей и технологов, занимающихся проблемой ВТСП.

С точки зрения физики сверхпроводимости эта проблема сводится к задаче увеличения силы пиннинга вихрей Абрикосова, движение которых под действием силы Лоренца и вызывает диссипацию, ограничивая величину J₀. Для решения такой задачи очень важное значение имеет изучение природы вихревого состояния и процессов взаимодействия вихрей с различными типами дефектов. Большую роль в развитии этой области сыграл тот важный факт, что теория Гинзбурга-Ландау-Абрикосова оказалась применима для описания вихревых состояний в ВТСП. Это исключило необходимость разработки новой фундаментальной теории и позволило использовать уже развитые подходы.

Вихревые состояния в ВТСП вследствие особенностей этих материалов оказались очень сложными и интересными. Результаты их исследований обогатили физику сверхпроводимости. Высокая анизотропия эффективных масс, большое значение параметра Гинзбурга-Ландау и маленькая длина когерентности обусловливают возникновение большого числа физических явлений, не наблюдавшихся ранее в низкотемпературных сверхпроводниках (НТСП), таких как: гигантский крип магнитного потока, плавление вихревой решетки, изменение размерности вихревой системы, локализация (lock-in) вихрей плоскими и линейными

дефектами и цельш ряд других. В частности, гигантский крип магнитного потока приводит к тому, что влияние динамических эффектов на пиннинг вихрей в ВТСИ оказывается определяющим. По этой причине для изучения динамики вихревой системы новые сверхпроводники оказываются намного предпочтительней традиционных, где влияние динамических эффектов незначительно и, соответственно, затруднительно для исследований.

Для понимания процессов пиннинга вихрей в ВТСП-материлах прежде всего следует детально щучить влияние различных центров пиннинга, установить соответствующие универсальные закономерности для пиннинга и динамических свойств вихрей. В первую очередь это касается дефектов малого размера: примесей, вакансий, внедрений и их кластеров. Вследствие малой длины когерентности ВТСП ожидается значительное усиление влияния дефектов такого типа, которые принято называть точечными или некоррелированными. Наибольший интерес в этом ряду, конечно же, вызывают "естественные" дефекты - вакансии кислорода.

Специфические особенности ВТСП обусловливают необходимость изучения и ряда других центров пиннинга, ранее практически неизвестных для НТСП, таких как: колоннообразные радиационные дефекты, двойниковые границы, CuO-плоскости и другие, которые в отличие от точечных принято называть коррелированными. Для таких дефектов важное значение имеет изучение явления локализации вихрей. Оно родственно эффекту пиннинга вихрей, но проявляется в ограничении вращательного, а не поступательного движения вихрей. Кроме того, значительный интерес представляют осцилляции соизмеримости межвихревого расстояния и периода кристаллической структуры, определяемого СиО-шюскостями.

Наряду с разработкой новых направлений исследований в ВТСП также есть необходимость работ над некоторыми старыми проблемами, не решенными в традиционных сверхпроводниках. К их числу прежде всего следует отнести изучение пик-эффекта, соответствующего аномальному возрастанию величины J_c с магнитным полем, приводящему к появлению пика на полевой зависимости критического тока.

Новые ВТСП-материалы могут обладать такими особенностями технологической структуры, как гранулировашюсть и пластинчатая форма монокристаллов. Их кристаллографическая структура характеризуется слоистостью, приводящей к значительной анизотропии собственных параметров. К тому же для ВТСП характерны вольтамперные характеристики с относительно малой крутизной и

сильной занисимостьго от магнитного поля и температуры. Такие особенности обуславливают необходимость разработки специальных моделей для адекватного описания соответствующих критических состояний, транспортных и магнитных свойств.

Цель работы состояла в экспериментальном исследовании механизмов пиннинга и динамики вихрей в ВТСП. Для этих исследований использовались ВТСП-монокристаллы RBa₂Cu₃O_x (R=Y, Tm) и Bi₂Sr₂CaiCu₂O_x, а также керамические образцы YBa₂Cu₃O_x, Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x и Bi₂Sr₂CaiCu₂O_x.

Были поставлены задачи:

1. Изучить зависимости критического тока и крипа магнитного потока от температуры и магнитного поля.

2. Исследовать влияние вакансий кислорода, двойниковых границ и радиационных дефектов на эти характеристики.

3. Изучить поведение пик-эффекта при варьировании концентрации различных дефектов.

4. Показать и изучить эффект локализации вихрей на двойниковых границах, плоскостях СиО и колоннообразных дефектах. Исследовать осцилляции соизмеримости, индуцированные плоскостями СиО.

5. Развить новые экспериментальные методы исследования пиннинга и динамики вих
рей. Изучить соответствие магнитных и электрических характеристик.

6. Исследовать пйнншїг и динамику вихрей в гранулированных ВТСП- керамиках.

Научная значимость и новизна работы. В диссертации были впервые получены и выносятся на защиту следующие результаты.

5. Установлены универсальные скейлинговые закономерности в поведении статических и динамических параметров вихревой системы в монокристаллах ReBa₂Cu₃O_x. Детально изучен пик-эффект.

6. Исследовано влияние концентрации кислорода на статические и динамические характеристики вихревой системы и пик-эффект в монокристаллах ReBa₂Cu₃O_x.

7. С помощью одноосного раздвойникования изучено влияние двойниковых границ на пиннинг и пик-эффект в монокристаллах YBa₂Cu₃O_x. Установлено наличие трех различных режимов пинннинга.

4. Изучены процессы взаимодействия вихрей с плоскими (двойниковые границы и плоскости СиО) и линейными (радиационные треки) центрами пиянинга в монокристаллах УВаїСизО*. Показано существование эффекта локализации вихрей. Предложенный экспериментальный подход на базе векторного магнитометра открывает повое направление исследований - экспериментальное изучение локализованных вихревых состояний.

5. В монокристаллах YBa2Cu₃O_x изучено осциллирующее поведение намагниченности, соответствующее соизмеримости межвихревого расстояния с периодом межкристаллической структуры, определяемой плоскостями СиО. Установлены угловые и температурные области существования этих осцилляции.

6. Изучены ВАХ монокристаллов Bi^S^Ca^i^O, и, в области низких температур (Т<15К) установлены универсальные скейлинговые закономерности в их поведении.

7. Обнаружено резкое изменение в поведении экранирующих токов и ВАХ монокристаллов ВігЗ^СаіСигОз, при Т*~20К. Показано, что при высоких температурах Т>Т* их магнитные свойства определяются влиянием поверхностного барьера.

8. При облучении монокристаллов Bi2Sr₂CaiCu₂O_y ионами высокой энергии получено большое увеличение поля необратимости и критических токов. Установлено наличие трех различных режимов пиннинга.

9. Обнаружена релаксация транспортного тока в керамических образцах. Установлена и объяснена зависимость критического тока от сечения.

10. Измерим ВАХ керамических образцов в широком диапазоне 10"^и-10"' В/см, уста
новлено, что они имеют S-образный вид. Показано хорошее согласие электрических и
магнитных методов.

11. Для описания критического состояния в сверхпроводниках предложен ряд модификаций модели Бина, расширяющих область ее применимости при анализе магнитных свойств ВТСП.

12. Для решения поставленных задач было развито несколько новых экспериментальных методов.

Практическая значимость результатов работы определяется широкими перспективами использования ВТСП в энергетике, транспорте, медицине, приборостроении и других областях. Как уже отмечалось ранее, ключевым фактором для этих применений является увеличение плотности критического тока J_c (силы

пиннинга) при азотной температуре и уменьшение ее деградации в магнитном поле (повышение поля необратимости Н^).

Полученные в диссертации результаты позволили изучить различные механизмы пиннинга в Системе КВа_гСи₃О_х. Они создают научную базу для улучшения технологических параметров в этих ВТСП. Результаты исследований пик-эфекта могут быть использованы для повышения токонесущей способности ВТСП в сильных магнитных полях. Полученные при изучении гранулированных материалов результаты могут быть использованы для разработки магнитных сенсоров и экранов.

Новые методики и модели, развитые в процессе данной работы, используются другими исследователями. Результаты автора диссертации часто цитируются в нашей стране и за рубежом.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: Всесоюзном совещании "Проблемы высокотемпературной сверхпроводимости", Свердловск, 1987; XXV Всесоюзном совещании по физике низких температур, Ленинград, 1988; Всесоюзном совещании по проблемам диагностики материалов ВТСП, Черноголовка, 1989; Международном семинаре по ВТСП, Дубна, СССР, 1989; Международной конференции M²S-HTSC II, Стэнфорд, США, 1989; III Всесоюзном симпозиуме "Неоднородные электронные состояния", Новосибирск, 1989; Международной конференции по Высокотемпературной сверхпроводимости, Пекин, Китай, 1989; 2-й Всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости, Киев, 1990; Международной конференции ICMC90, Гармиш-Партенкирхен, ФРГ, 1990; Международной конференции "Материаловедение для Технологий - MASHTEC90", Дрезден, ГДР, 1990; Международной конференции LT-19, Брайтон, Великобритания, 1990; XXV Международной конференции по магнитным фазовым переходам, Осака, Япония, 1990; VIII Международной конференции по четверным и многокомпонентным соединениям, Кишинев, 1990; Всесоюзной конференции НТ-26, Донецк, 1990; 3-ем Всесоюзном совещании по высокотемпературной сверхпроводимости, Харьков, 1991; Международной конференции по сверхпроводимости и локализационным явлениям, Москва, 1991 г; Международной конференции M²S-HTSC III, Каназава, Япония, 1991; Международном семинаре MSU-HTSC II, Москва, 1991; Международной конференции по критическим токам в ВТСП, Вена, Австрия, 1992; Конференции ЕМО

"Высокотемпературные сверхпроводники", Страсбург, Франция, 1992; XXIX Всесоюзном совещании по физике низких температур, Казань, 1992; Международной конференции по физике низких температур LT20, Юджин, Орегон, США, 1993; Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости, Геттинген, ФРГ, 1993; Седьмой международной конференции по критическим токам в сверхпроводниках, Альпбах, Австрия, 1994; Международной конференции M"S-HTSC IV, Гренобль, Франция, 1994; XXX Совещании по физике низких температур, Дубна, 1994; Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости, Эдинбург, Великобритания, 1995; конференции Британского физического общества, Ливерпуль, 1995; Четвертой конференции Европейского керамического общества, Римини, Италия, 1995; Восьмой международной конференции по критическим токам в сверхпроводниках, Китаюошу, Япония, 1996; Международной конференции по физике и химии молекулярных и оксидных сверхпроводников, Карлсруэ, ФРГ, 1996; Международной конференции по физике низких температур LT21, Прага, Чехия, 1996; Международной конференции M²S-HTSC V, Пекин, Китай, 1997.

Публикации. По теме диссертации опубликована 131 печатная работа, для защиты диссертации представляется совокупность из 74 публикаций, список которых приводится в конце автореферата.

Структура диссертации и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, девяти глав, выводов и содержит 230 страниц текста, 118 рисунков 4 таблицы и список литературы из 318 наименований.