Экспериментальное изучение особенностей динамики вихревой решетки и критических токов в анизотропных ВТСП системы YBCO Калинов, Алексей Валерьевич

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Открытие Беднорцем и Мюллером высокотемпературной сверхпроводимости повлекло за собой огромный всплеск интереса к исследованиям в этой области, поскольку применение ВТСП во многих областях науки и техники, где уже используются сверхпроводящие устройства, работающие при гелиевых температурах, выглядит крайне заманчиво, в силу возможности существенного снижения затрат на эксплуатацию приборов и коммерческих устройств, работающих при температуре жидкого азота. В процессе исследований оказалось, что практическое использование ВТСП наталкивается на целый ряд как технологических, так и принципиальных ограничений, так что большинство потенциальных возможностей их применения до сих пор не реализовано. Следует отметить, что разработка устройств с использованием ВТСП тесно связана с проведением фундаментальных исследований. Разработка экспериментальных методов и теоретических моделей, позволяющих корректно определять и интерпретировать те или иные характеристики объектов, способствует успешному решению технологических проблем.

Основной макроскопической характеристикой сверхпроводников, определяющей возможности их практического применения, является величина критической плотности тока — j_c. Данная характеристика определяется, главным образом, свойствами центров пиннинга, т. е. структурой дефектов, однако, изучение полевых, угловых и температурных зависимостей j_c может давать информацию и о свойствах самой вихревой решетки, что позволяет проверить некоторые теоретические модели, предсказывающие новые физические явления. Для сильно анизотропных сверхпроводников теория предсказывает, например, размерный переход от трехмерных анизотропных вихрей к системе двумерных панкейков, захват вихрей между атомными Си-О слоями, фазовые переходы типа плавления в системе вихрей и т. п.

Изучению процессов пиннинга и свойств вихревой решетки в сильно анизотропных ВТСП посвящено большое число как теоретических, так

и экспериментальных работ, тем не менее, большинство из предсказываемых особенностей вихревого состояния (см., напр., [1]) до сих пор не обнаружено. По-видимому, вся совокупность наблюдаемых свойств вихревой решетки в ВТСП не может быть полностью описана в рамках одного физического подхода, и поэтому мы ограничили свое внимание исследованием лишь некоторых особенностей динамики вихревой решетки и токонесущих свойств ВТСП.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключалась в экспериментальном исследовании электромагнитных свойств текстурированных и монокристаллических образцов УВагСизОх в сверхпроводящем состоянии, а также в изучении анизотропии их токонесущей способности.

В работе проводились измерения:

действительной и мнимой компонент динамической магнитной восприимчивости текстурированных и монокристаллических образцов как функции температуры Т = 66 - 93 К, величины магнитного поля Я = 0 - 20 кЭ и его направления относительно кристаллографических осей образца (угол ip), а также относительно направления плоскостей двойникования (угол i9);

статического магнитного момента как функции амплитуды и направления переменного магнитного поля Ло = 1 - 600 Э и величины постоянного магнитного поля Н = 0 - 20 кЭ;

напряженности электрического поля Е на поверхности образца как функции времени при различных амплитудах, частотах и фазах двух взаимодействующих магнитных полей.

Результаты измерений использовались для решения следующих задач:

изучения некоторых следствий уравнения критического состояния
j = j_e (Е/Е), связанных с нелинейным характером этого уравне
ния;

определения анизотропии критической плотности тока в тексту-рированных образцах YBCO и исследования влияния магнитного поля и температуры на компоненты анизотропной j_c;

исследования зависимости j_c от направления постоянного магнитного поля Н, а также влияния на эту зависимость величины поля и температуры в текстурированных и монокристаллических образцах YBCO;

изучения особенностей полевых и угловых зависимостей j_c при пиннинге на системе регулярных плоских дефектов типа границ двойникования;

исследования эффекта аномального возрастания j_c при увеличении температуры в текстурированных образцах YBCO.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в том, что в ней впервые

исходя из модели критического состояния в форме материального уравнения j = j_c (Е/Е), предсказан и экспериментально обнаружен коллапс статического магнитного момента под воздействием переменного магнитного поля;

экспериментально обнаружены скачки временной зависимости напряженности электрического поля на поверхности сверхпроводника, и показано, что это явление есть следствие нелинейности уравнения критического состояния;

по измерениям динамической магнитной восприимчивости исследована анизотропия критической плотности тока j_c в текстурированных ВТСП, получены магнитополевые, температурные и угловые зависимости критической плотности тока j_c;

предложен метод бесконтактного определения компонент критической плотности тока j% и j^b, основанный на измерении отклика

образца на переменное магнитное поле различной амплитуды или как функции одного из размеров образца;

с помощью единой экспериментальной методики проведены исследования зависимости критической плотности тока от направления постоянного магнитного поля для двух объектов, различающихся микроструктурой, — текстурированных и монокристаллических образцов YBCO;

в монокристалле YBCO обнаружен эффект возрастания j_c при увеличении магнитного поля (пик-эффект) при пиннинге на двойниковых границах (Н || ДГ), причем, пик-эффект исчезает при небольшом отклонении Н от этого направления;

обнаружена немонотонная зависимость критической плотности тока от температуры на плавленом образце YBCO, и исследовано ее поведение при изменении величины и направления магнитного поля.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ полученных в работе результатов обусловлена тем, что они позволяют установить связь между микроструктурой ВТСП материалов и их токонесущими характеристиками. Отдельные экспериментальные подходы, развитые в работе, могут быть использованы при исследовании и анализе свойств ВТСП материалов, предназначенных для практического использования.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы представлялись на:

1. 7^ой Международной конференции по критическим токам в сверхпроводниках (7^th IWCCS), Альпбах, Австрия, 24 - 27 января 1994;

2. 7^ой Международной конференции по прикладной сверхпроводимости, Баффало, США, 7-9 сентября 1994;

3. Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости (EUCAS'95), Эдинбург, Шотландия, 6-9 июля 1995;

4. 8^м трехстороннем немецко-российско-украинском семинаре по ВТСП, Львов, Украина, 6-9 сентября 1995;

5. IV^а конференции европейского керамического общества, Риччи-оне, Италия, 2-6 октября 1995.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертации опубликовано 9 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и содержит 90 страниц машинописного текста, 39 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 4*tfs наименований.