Введение к работе
Актуальность темы
Одним из наиболее существенных барьеров для развития применений высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и МдВ2, является низкая плотность критического тока этих материалов. И хотя было установлено, что монокристаллические образцы этих соединений характеризуются большими значениями плотности критического тока, чем поликристаллические, тем не менее, с точки зрения приложений, максимальный интерес вызывают поликристаллические материалы, в силу их технологичности и простоты в изготовлении. Особенно это касается МдВг, для которого разработана технология «порошок в трубе», успешно использующаяся для получения сверхпроводящих проволок [1]. Несмотря на то, что с помощью различных технологических ухищрений поликристаллические материалы удалось приблизить к монокристаллам, тем не менее, проблема сверхпроводящего транспорта имеет еще один существенный аспект, связанный с тем, что вихревая решетка, возникающая в сверхпроводнике второго рода в присутствии магнитного поля, создает сопротивление току сверхпроводящих электронов, если они не захватываются на дефектах - центрах пиннинга. Исследованию пиннинга на дефектах различной физической природы в сверхпроводниках второго рода посвящено большое количество работ. Как оказалось, эффективными центрами пиннинга в сверхпроводнике являются области, в которых сверхпроводящий параметр порядка подавлен. Такие области возникают в местах структурных дефектов или там, где локально образуются нарушения химического состава материала. Обнаружено, что наиболее эффективными являются колонноподобные дефекты, которые захватывают вихрь по всей длине.
С другой стороны Абрикосовский вихрь, по сути являющийся квантом магнитного потока в сверхпроводнике второго рода, должен взаимодействовать с магнитными образованиями, находящимися как внутри сверхпроводника, так и вблизи его поверхности, на расстояниях где сохраняется структура вихревой решетки. Таким образом, вместо захвата несверхпроводящего ядра вихря, возможно запиннинговать его магнитный момент. Соответственно, существует возможность увеличения плотности критического тока путем создания центров пиннинга, обладающих магнитным моментом. Эта идея впервые была исследована в 60-х годах. Было обнаружено увеличение гистерезиса намагниченности в индиево-ртутном сверхпроводнике после создания магнитных частиц, что указывает на возрастание плотности критического тока [2]. Таким образом, было показано, что магнитные
частицы могут являться эффективными центрами пиннинга. Однако, весьма уместен вопрос о сравнении силы пиннинга несверхпроводящим немагнитным дефектом и несверхпроводящим дефектом, обладающим намагниченностью. Теоретически показано, что в случае заполнения столбчатого цилиндрического дефекта бесконечной длины магнетиком возникает новый механизм пиннинга, обусловленный взаимодействием неоднородного магнитного поля вихря с магнитными моментами дефекта по всему его объему. Численные расчеты, проведенные с характерными для ВТСП параметрами, показали, что для намагниченного цилиндра сила пиннинга не только увеличивается за счет магнитного вклада, но и радиус её действия становится значительно больше [3]. Еще одним достоинством магнитного пиннинга является возможность захвата нескольких вихрей одним центром пиннинга.
Создание магнитных центров пиннинга в объемном сверхпроводнике представляет собой сложную технологическую задачу. Так, например, замещение меди в УВа2(Сио.эАо.1)з07 атомами обладающими магнитным моментом приводит к существенному снижению температуры сверхпроводящего перехода (Тс) [4]. А попытки введения магнитных примесей в диборид магния в процессе синтеза оказались безуспешными в связи с высокой реакционной способностью магния. Стоит отметить, что существует всего несколько экспериментальных работ, в которых исследовался эффект пиннинга на магнитных частицах в ВТСП [5-7] и дибориде магния [8]. Таким образом, разработка способов создания в сверхпроводнике центров пиннинга, обладающих магнитным моментом является актуальной задачей физики сверхпроводимости.
Актуальность выбранной тематики подтверждается тем, что настоящая работа поддержана фондом РФФИ, проект 99-02-18064-а (1999-2001), а результаты работы легли в основу проекта РФФИ 08-08-12175-офи (2008).
Целью работы являлось исследование эффекта магнитного пиннинга в высокотемпературных сверхпроводниках, и композитах на основе диборида магния.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
Изучение пиннинга вихрей в тонких монокристаллических слоях ВігвггСаСигОх и пленках УВагСизОу путем создания в них магнитных дефектов.
Исследование эффектов пиннинга в порошковых композитах, приготовленных из сверхпроводящего диборида магния и немагнитного титана, и магнитных никеля и кобальта.
Подход, использованный для реализации поставленной цели, основан на комплексном сочетании экспериментов по созданию магнитных дефектов в высокотемпературных сверхпроводниках и сверхпроводящих композитах на основе диборида магния, исследовании их магнитных характеристик, температурной зависимости линии необратимости и установлении корреляции между их магнитным состоянием и эффективностью пиннинга.
Научная новизна
Разработана методика создания методом ионной имплантации магнитных центров пиннинга в тонких слоях ВТСП материалов. В монокристаллах ВігвггСаСигОв магнитные частицы формировались непосредственно в сверхпроводнике. В экспериментах с иттриевыми образцами магнитные частицы железа формировались отдельно в пленках SiC^, которые затем накладывались на поверхность тонкой пленки YBa2Cu307 и исследования проводились на составной композитной структуре.
Обнаружен эффект усиления пиннинга в висмутовых и иттриевых ВТСП материалах поверхностными магнитными частицами.
Предложен и апробирован метод создания сверхпроводящих композитов на основе диборида магния и немагнитного титана, а также, магнитных никеля и кобальта. Измерены температурные зависимости ширины петли гистерезиса микроволнового поглощения синтезированных композитов. В композитах МдВг-Ті и MgB2-Ni обнаружено возрастание гистерезиса микроволнового поглощения, что связано с усилением пиннинга. Установлено, что основной вклад в усиление пиннинга в композитах MgB2-Ni связан с магнитными свойствами частиц никеля.
Научная и практическая значимость работы
Полученные результаты имеют фундаментальный характер и практическую значимость, и могут быть применены для улучшения токонесущих свойств сверхпроводящих проводов. Предложенный метод прост, дешев и может быть использован в рамках уже существующих технологий приготовления сверхпроводящих проводов по технологии «порошок-в-трубке».
На защиту выносятся следующие положения:
1. Методом ионной имплантации в приповерхностном слое сверхпроводящих кристаллов ВігвггСаСигОв созданы магнитные частицы железа. Бесконтактным методом магнитно-модулированного микроволнового поглощения исследовано влияние созданных частиц на пиннинг вихревой решетки. Обнаружен эффект усиления пиннинга в исследованной системе.
Обнаружено усиление пиннинга в тонкой пленке высокотемпературного сверхпроводника УВагСизОу, на поверхность которого наложена тонкая непроводящая пленка SiC^, содержащая магнитные наночастицы железа, сформированные методом ионной имплантации. Обнаружено возрастание потенциала пиннинга с увеличением дозы имплантированного в оксид кремния железа.
Впервые синтезированы сверхпроводящие композиты на основе диборида магния, содержащие немагнитный титан, а также магнитные никель и кобальт. Бесконтактным методом магнитно-модулированного микроволнового поглощения исследовано влияние созданных частиц на пиннинг в полученных композитах. В немагнитных композитах МдВг-Ті и магнитных композитах MgB2-Ni обнаружено увеличение ширины петли гистерезиса микроволнового поглощения по сравнению с чистым диборидом магния на 25 и 125 % соответственно, обусловленное усилением пиннинга. Из сравнения результатов полученных на немагнитных и магнитных композитах установлено, что основной вклад в усиление пиннинга в MgB2-Ni вносят магнитные свойства частиц.
Предложен и апробирован метод создания сверхпроводящих композитов на основе диборида магния и порошков титана, никеля и кобальта. Предложенный метод прост, дешев и может быть использован в рамках уже существующих технологий приготовления сверхпроводящих проводов по технологии «порошок-в-трубке».
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные результаты диссертации отражены в 4 научных статьях, а также материалах и тезисах ниже перечисленных российских и международных конференций:
Молодежная научная школа «Новые аспекты применения магнитного резонанса»
(Казань 2000), Конференция молодых ученых КФТИ КНЦ РАН (Казань 2001),
Ежегодная конференция КФТИ КНЦ РАН (Казань 2002), III Научная конференция
молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра
Казанского государственного университета «Материалы и технологии XXI века»
(Казань 2003), Third European Conference on Vortex Matter in Superconductor (Crete,
Greece, 2003), Международная конференция "Nanoscale properties of condensed
matter probed by resonance phenomena" (Kazan, 2004), Вторая международная
конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной
сверхпроводимости» (Москва ФИАН 2006)
Личный вклад автора в совместных результатах заключается в проведении экспериментальных исследований гистерезиса микроволнового поглощения, приготовлении сверхпроводящих композитов. Автор участвовал в постановке задач и формулировке экспериментальных методов их решения, а также анализе и обсуждении полученных результатов и написании статей.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
