Экспериментальное исследование статических и низкочастотных электромагнитных свойств керамических и плавленых высокотемпературныхсверхпроводников Миркович, Йован

Введение к работе

Всплеск интереса к высокотемпературным сверхпроводникам, происшедший после их открытия в 1986 г., сменился к настоящему времени размеренной исследовательской деятельностью. Надежды на успех быстрого воплощения открывающихся перспектив по практическому использованию новых материалов не оправдались по причине целого ряда как технологических проблем, так и принципиальных факторов, ограничивающих область их потенциального использования. Это не означает, однако, что вопрос о практических применениях ВТСП снят с рассмотрения. Напротив, прогресс в этом направлении весьма значителен. Работы связанные с оптимизацией параметров, поиском новых технологических подходов, поиском новых соединений, родственных известным ВТСП, проводятся весьма активно, и, таким образом, высокотемпературная сверхпроводимость, хотя и перестав быть темой номер один в физике твердого тела, по-прежнему является актуальной проблемой.

Следует отметить, что задачи по практическому использованию ВТСП тесно связаны с проведением фундаментальных исследований. Разработка экспериментальных методов, теоретических моделей, позволяющих корректно и наиболее полно описывать те пли иные свойства объектов, выявлять определяющие факторы - деятельность в этом направлении способствует успешному решению технологических проблем.

С другой стороны, ВТСП представляют собой уникальные объекты для изучения целого ряда интересных явлений. В частности, анизотропия спектра носителей и кристаллической структуры, характерная для ВТСП (анизотропия эффективных масс составляет от 5 до 100 в ІІеВагСизОу и более 1000 в Bi2Sr2CaCu20_x), в совокупности с другими специфическими характеристиками, такими как очень малая длина когерентности, должны приводить к спецпфпческпм свойствам вихревого состояния, представляющим несомненный интерес для фундаменталь-

ных исследований. Для сильно анизотропных сверхпроводников теория предсказывает, например, размерный переход от трехмерных анизотропных вихрей к системе двумерных пэнкейков, возникновение связанных пар вихрь-антивихрь, зигзагообразных вихрей, захват вихрей между атомными слоями в слоистых сверхпроводниках, фазовые переходы типа плавления в системе вихрей, а также ряд других. Изучению свойств вихрей в этих материалах, а также их пиннингу на дефектах посвящено большое число работ. Тем не менее, полученные данные, как правило, не носят систематического характера и часто находятся в противоречии друг с другом. Поэтому изучение токонесущей способности явилось одним из предметов настоящей работы. Керамические ВТСП, в меньшей степени подходят для изучения внутренних, принципиальных свойств, однако они также представляют собой интересный объект как сверхпроводник с резко выраженной гранулярностью. Отметим в этом смысле, что из-за малой длины когерентности всем ВТСП в той или иной степени присущи черты, связанные с гранулярностью. В случае керамики эти свойства выражены наиболее ярко. Хотя керамикам посвящено, может быть, наибольшее количество работ по ВТСП, многие вопросы остаются открытыми до настоящего времени. В диссертации затрагиваются некоторые проблемы, связанные со специфическими свойствами токопереноса в керамических ВТСП.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключалась в экспериментальном исследовании транспортных свойств плавленых и монокристаллпческпх образцов УВагСизО_х, а также керамических образцов УВагСизО_х и ВігБггСагСизСиОх в сверхпроводящем состоянии, а именно магнито-полевых, температурных и угловых зависимостей критической плотности тока, вольт-амперных характеристик.

В работе проводились измерения: а) действительной и мнимой компонент поверхностного импеданса тек-стурированных и монокристаллических образцов как функции температуры Т, величины Н и направления ср магнитного поля в интервалах

T = 66 -т- 90 К, Я = 0 -f 20 кЭ, <р = 0 -і- 360.

б) критического тока керамических образцов как функции магннт-
юго поля (до 2 кЭ) и времени при Т = 77 К четырехконтактным
методом.

в) вольт-амперных характеристик (ВАХ) керамических образцов в
магнитном поле до 300 Э при температурах Т = 66-^90 К с нспользова-
шем специальной бесконтактной методики в интервале электрических
юлей Е = Ю^-13 -— Ю~⁵ В/см, а также четырехконтактным методом в
інтервале Е = 10~⁵ -=- Ю^-1 В/см.

Результаты измерений использовались для решения следующих за-[ач:

1. Определения анизотропии критической плотности тока в плавленых образцах YBCO. Исследования влияния на анизотропные компоненты J с магнитного поля и температуры.

2. Исследования зависимости J_c от направления внешнего магнитного поля, а также влияния на эту зависимость величины поля и температуры в плавленых и монокристаллических образцах YBCO.

3. Исследования эффекта аномального возрастания J_c при увеличении температуры на плавленых образцах YBCO.

4. Экспериментального подтверждения существования эффективного потенциального барьера для движения вихрей в жестком сверхпроводнике, связанного с особенностями проникновения низкочастотного магнитного поля, в рамках нелокальной модели критического состояния.

5. Исследования вольт-амперных характеристик керамических ВТСП в широком интервале напряжений, влияния на них магнитного поля и температуры, с целью сравнения с существующими теоретическими моделями.

6. Исследования эффекта гистерезисного поведения критического тої керамических ВТСП и его временной релаксации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в том, что в ней впервые

по измерениям поверхностного импеданса измерения исследована анизотропия критической плотности тока J_c в текстурированных плавленных ВТСП. Получены магнитополевые, температурные и угловые зависимости критической плотности J_c YBCO;

проведены детальные исследования угловой зависимости критического тока двух объектов, различающихся микроструктурой, - плавленых и монокристаллических образцов YBCO - с помощью единой экспериментальной техники измерений поверхностного импеданса образца.;

обнаружен эффект возрастания J_c при увеличении магнитного поля (пик-эффект) на плавленном образце YBCO для ориентации магнитного поля в плоскости ab; впервые изучены особенности пик-эффект; при различных ориентациях внешнего магнитного поля.

обнаружена немонотонная зависимость критической плотности тока от температуры на плавленном образце YBCO; исследовано её поведение при изменении величины и направления магнитного поля;

получено экспериментальное подтверждение существования барьера, предсказанного нелокальной моделью критического состояния;

предложена бесконтактная методика для измерения ВАХ гранулированных ВТСП, исключающая неоднозначность интерпретации данных магнитных измерений и дающая возможность существенно расширить диапазон достижимых электрических полей; с использованием данной методики изучены ВАХ керамических ВТСП при различных магнитных полях и температурах;

исследован эффект релаксации транспортного критического тока J_c в керамических ВТСП; установлен гистерезисный характер скорости релаксации J_c.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ полученных в работе результатов обусловлена тем, что они позволяют установить закономерности свойств

иннинга и динамики вихревой системы в ВТСП материалах и мо-ут быть использованы при анализе свопств практически применимых ТСП объектов.

Основные результаты диссертационной работы представлялись на:

6. Международном семинаре MSU-HTSC II, Москва,1991.

7. Международной конференции по критическим токам в ВТСП, Вена, Австрия, 1992.

8. Международной конференции по физике низких температур (LT20), Еуген, США ,1993.

9. Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости (EUCAS), Гетпнген, Германия, 1993.

10. 7 Международной конференции по критическим токам в СП (7'^AIWCCS), Альпбах, Австрия , 1994.

11. XXX Совещании по физике низких температур, Дубна, 6-8 сентября 1994 г.

12. 7 Международной конференции по прикладной сверхпроводимости, Буффало, США, 1994.

13. Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости, Единбург, Шотландия, 6-9 июля 1995.

14. 8 трехстороннем немецко-российско-украинском семинаре по ВТСП, Львов, Украина, 6-9 сентября 1995.

10. Европейской керамической конференции, Рпмини, Италия, 2-6 октября 1995.

По результатам диссертации опубликовано 17 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Диссертация состоит из Введения, пяти глав, выводов и содержит 1ЪО страниц машинописного текста, ЧЗ рисунков, Л таблицы-и список литературы из Д Ч Ь наименований.