Исследование вихревого состоянияоксидных сверхпроводниковметодами микроволнового поглощения Таланов, Юрий Иванович

Введение к работе

Актуальность темы. Несмотря на то, что с момента открытия высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), прошел достаточно большой период времени, и было затрачено много средств и усилий на ее изучение, на пути к широкому применению ВТСП материалов существует еще ряд серьезных проблем, требующих своего решения. К их числу относятся нестабильность и низкая величина плотности критического тока j_c в области температуры жидкого азота, а также сильное подавлением^ магнитным полем. В некоторых ВТСП-соединениях,таких как например Bi2Sr2CaCu20_x , плотность критического тока становится равной 0 при температурах на десятки градусов ниже Т_с . Без-диссипативное прохождение тока по таким материалам возможно только при условии создания на гранях сверхпроводящего образца барьера длп выхода вихревых нитей. Препятствием для выхода вихрей через границу "сверхпроводник-вакуум" может служить как поверхностный барьер Бина-Ливингстона, связанный с искажением траекторий вихревых токов вблизи границы раздела двух сред, так и краевой геометрический барьер, обусловленный наличием несконпенсированной составляющей силы натяжения вихревой нити. Последний эффективен в плоских сверхпроводящих образцах прямоугольного сечения, когда внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно самой большой плоскости. В такой геометрии значительно усложняется описание магнитных свойств сверхпроводника. Они до сих пор не поняты до конца, несмотря на большой интерес к этой актуальной проблеме. Поэтому значительная часть настоящей работы посвящена ее всестороннему исследованию.

Второй круг проблем, представленных в работе, связан с исследованием режимов движения вихрей в слоистых ВТСП-материалах. Известно, что на фазовой плоскости Н—Т вихревой системы существует мно-

го областей, которые отличаются друг от друга состоянием вихревой материи, характером движения вихрей и другими физическими свойствами (см.обзор [1]). Изменение лондоновской глубины проникновения поля, длины когерентности, величины взаимодействия между слоями, энергии пиннинга приводит к переходам от режима пиннинга одиночных вихревых нитей к их коллективному движению, к независимым перемещениям их двумерных фрагментов и т.д. Увеличение магнитного поля, также как и температуры, приводит к быстрому уменьшению плотности критического тока. Изучение зависимости критического тока от магнитного поля и возможностей ее ослабления также является актуальной проблемой физики сверхпроводников.

Цель работы. Настоящая работа направлена на изучение распределения магнитного поля в сверхпроводниках II рода и динамики вихревой системы в широком диапазоне полей и температур.

Более конкретно, в работе решались следующие задачи:

1. Нахождение распределения поля в плоском сверхпроводнике, помещенном в перпендикулярное магнитное поле, верификация теоретических моделей, адекватных экспериментальной ситуации.

2. Изучение влияния на магнитный поток таких факторов, как история изменения магнитного поля, прохождение через образец транспортного тока, изменение величины плотности критического тока.

3. Исследование эволюции магнитного потока при ослаблении объемного пиннинга.

4. Нахождение распределения поля в сверхпроводнике в отсутствие
объемного пиннинга, в условиях захвата потока краевым геометричес
ким барьером.

5. Определение состояний вихревой системы и режимов пиннинга вих
рей в различных экспериментальных условиях, а также влияния слоис-

того строения на вихревую динамику. Построение фазовой диаграммы вихревой материи в УВагСизО* и Bi2Sr₂CaCu₂O_x . 6. Определение влияния скорости и диапазона развертки внешнего поля на релаксацию захваченного магнитного потока.

Эти задачи, во многом типичные для исследования вихревого состояния сверхпроводников II рода, решались с использованием методов, основанных на поглощении энергии высокочастотного поля, как резонансном (ЭПР), так и нерезонансном (МВП - нерезонансное микроволновое поглощение). Ввиду высокой чувствительности и разрешающей способности метода ЭПР он оказался весьма полезным инструментом для исследования структуры магнитного потока в сверхпроводниках. А измерение нерезонансного поглощения микроволнового поля позволяет изучать такие важные основополагающие аспекты сверхпроводящего состояния, как симметрия параметра порядка [2], а также тонкие эффекты в динамике вихревой системы (см.например [3]). Вместе с тем, учитывал, что в'процессе исследования на образец одновременно воздействуют различные магнитные поля (медленно меняющееся при свипировании модулированное "постоянное" поле и сверхвысокочастотное, перпендикулярное первому), анализ экспериментальных результатов невозмогкен без создания теоретических моделей, адекватно описывающих возникающую картину распределения магнитных полей и комплексного движения вихревых нитей. Это обстоятельство заметно сдерживает расширение исследований с использованием техники ЭПР, а иногда приводит к ошибочным выводам из полученных результатов. Поэтому глобальной задачей настоящей работы, объединяющей все упомянутые выше исследования, является разработка методов адекватного анализа результатов, полученных с помощью измерений микроволнового поглощения.

Для решения задач, связанных с определением профиля магнитного потока в сверхпроводнике, использовался разработанный автором совместно с Р.И.Хасановым метод подвижного поверхностного спинового зонда, а объектами служили монокристаллы ВТСП, имеющие форму пластины. Для исследования вихревой динамики применялись несколько методик, развитых автором с сотрудниками, основанных на измерении различных характеристик нерезонансного микроволнового поглощения и на эволюции сигнала ЭПР поверхностного парамагнитного слоя. Набор объектов был достаточно широким: анизотропные УВагСизОх , максимально слоистые Bi2Sr2CaCu₂O_x и Tl₂Ba₂CaCu20_x , оксидные сверхпроводники с электронным типом проводимости Рг2_уСе_уСи04 (все - монокристаллы).

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Разработан метод исследования распределения магнитного поля на поверхности сверхпроводника с помощью подвижного спинового зонда. С помощью зтого метода получены следующие результаты:

а) Установлено распределение магнитного поля в плоских сверхпровод
никах II рода при перпендикулярной ориентации внешнего поля. По
казано, что полученное распределение может быть описано в рамках
модели, учитывающей неодномерность внешнего поля и его градиен
тов.

б) Показано влияние процессов входа и выхода вихрей на профиль маг
нитного потока в сверхпроводнике при немонотонном изменении внеш
него поля.

в) Построено распределение поля в плоском образце сверхпроводника
при последовательном включении внешнего магнитного поля и транс
портного тока. При этом распределение имеет асимметричный харак-

тер, что отражает перераспределение токов в объеме образца. г) Получено распределение поля в сверхпроводнике при нулевом значении плотности критического тока пиннинга. Показано, что в отсутствие объемного пиннинга захват потока осуществляется краевым барьером, и что форма распределения сохраняется в больших полях, существенно превышающих нижнее критическое поле. Изучена эволюция профиля магнитного потока по мере уменьшения силы пиннинга.

2. По зависимости от времени сдвига сигнала ЭПР поверхностного парамагнитного слоя и по эволюции сигнала микроволнового поглощения исследована релаксация магнитного потока в кристаллах УВа₂СизО_х . Обнаружен переход от пиннинга одиночных вихрей к коллективному пиннингу при повышении температуры.

3. Обнаружена нелинейная зависимость микроволнового поглощения от величины возбуждающей мощности, связанная с коллективными эффектами в динамике вихрей.

4. На основе анализа гистерезиса микроволнового поглощения исследована динамика вихревой системы в монокристаллах УВа2Си,зО_х в широкой области температур и магнитных полей. При температуре ЗОК обнаружен переход к коллективному пиннингу вихревых нитей, причем в низких полях происходит пиннинг малых связок вихрей, а в более высоких полях - больших вихревых связок. При температурах близких к Т_с обнаружено сглаживание потенциальных барьеров пиннинга под действием тепловых флуктуации, что приводит к резкому уменьшению гистерезиса магнитных свойств.

о. На основе измерений гистерезиса микроволнового поглощения изучена вихревая динамика в монокристаллах ВігЗггСаСигОх . Показано, что слоистость этого вещества приводит к режиму двумерного коллективного крипа.

Научная новизна. В ходе выполнения исследований был получен ряд существенно новых результатов. К ним относятся:

1. С помощью поверхностного спинового зонда, получено распределение магнитного поля в плоском сверхпроводнике II рода (на примере монокристаллов УВагСизОх и Bi^S^CaCi^Ox ) при направлении внешнего поля перпендикулярно плоскости образца. Показано, что это распределение не поддается описанию в рамках модели Бина [4]. но служит подтверждением теоретических расчетов, сделанных в работах Бран-дта [6] и Клема [7] с соавторами.

2. Показано влияние немонотонного (возвратного) изменения внешнего поля на профиль магнитного потока сверхпроводника, находящегося в критическом состоянии, который в этом случае определяется как процессом вхождения вихревых линий в сверхпроводник, так и их выходом.

3. Получено распределение поля в плоском образце сверхпроводника при одновременном воздействии внешнего магнитного поля и транспортного тока. При этом распределение становится асимметричным, что отражает перераспределение токов в объеме образца.

4. Получено распределение поля в сверхпроводнике при нулевой плотности критического тока. Показано, что в отсутствие объемного пиннинга захват потока осуществляется краевым геометрическим барьером.

5. При анализе релаксации захваченного магнитного поля и зависимости микроволнового поглощения от величины возбуждающего тока в кристаллах УВагСизОх обнаружен переход от пиннинга одиночных вихрей к коллективному пинкингу при повышении температуры.

6. Методом гистерезисного микроволнового поглощения изучена вих-

ревая динамика в монокристаллах ВіоЗггСаСгігОх , показано влияние слоистого строения этого вещества, обнаружен переход к режиму двумерного коллективного крипа.

7. При температурах близких к Т_г обнаружено сглаживание потенциальных барьеров пиннинга под действием тепловых флуктуации, что приводит к резкому уменьшению гистерезиса магнитных свойств сверхпроводника УВагСизОх -

8. Разработана методика и техника исследования распределения магнитного поля на поверхности сверхпроводника с помощью подвижного спинового зонда.

Совокупность полученных результатов позволяет сделать вывод о высокой эффективности и информационной насыщенности использованных в работе высокочастотных экспериментальных методов. Несмотря на то, что использование в процессе измерений одновременно нескольких магнитных полей с существенно различными периодами изменения вносит в результаты дополнительные нюансы и требует более сложного теоретического анализа, применение этих методов вполне оправдывает такие затраты, так как при этом существенно увеличивается набор параметров, извлекаемых из экспериментов.

Исследование, проведенное в настоящей работе с помощью различных методик резонансного и нерезонансного поглощения микроволнового поля, коррелирует с исследованиями других авторов, использующих иную технику. В большинстве случаев обнаруживается хорошая стыковка результатов. Сравнение данных, извлеченных с помощью разных экспериментальных методов, особенно полезно для решения таких сложных проблем, как вихревая динамика в слоистых сверхпроводниках. Использование в настоящей работе оригинальных методик позволяет взглянуть на проблему под новым углом зрения. Широкий охват

и систематичность проведенных исследований позволяют говорить о развитии нового направления, которое можно назвать микроволновой спектроскопией вихревой системы.

Научно-практическая значимость работы состоит в том, что полученные экспериментальные результаты могут быть использованы (и используются, см.работы [8, 9]) при анализе применимости существующих и построении новых теоретических моделей, описывающих распределение магнитного поля и вихревую динамику в различных внешних условиях. Как показала практика, использование упрощенных моделей критического состояния для описания различных экспериментальных данных, в частности, петель намагничивания М(Н), приводит к значительным ошибкам в определении сверхпроводящих характеристик материалов. К примеру, использование простой модели Бина для оценки плотности критического тока в плоском сверхпроводнике, помещенном в перпендикулярное магнитное поле, приводит к завышению данной величины почти на порядок.

Получение информации о характере движения вихрей и режиме их пиннинга с одной стороны дает основу для построения теоретических моделей, описывающих кинетику релаксации магнитного потока в ВТСП-материалах, а с другой стороны - может служить базой для создания из них устройств, работающих в магнитных полях. В частности, изучение зависимости силы пиннинга и плотности критического тока от магнитного поля, определение условий переключения режимов крипа и возникновения пик-эффекта должны указать пути преодоления подавления критического тока.

Необходимо также отметить еще один аспект, связанный с изучением свойств оксидных сверхпроводников с помощью методов магнитной радиоспектроскопии. Известно, что отклик их вихревой системы на

воздействие переменного электромагнитного поля достаточно высокой частоты (> 10⁹Гц) существенно отличается от такового при низких частотах. Поэтому получение экспериментальных данных с помощью высокочастотных устройств, каковым является спектрометр ЭПР, существенно дополняет информационную базу, полученную традиционными методами изучения магнитных свойств на постоянном токе или на малых частотах (фарадеевский, крутильный, фонеровский, SQUID-и другие магнетометры, ВЧ-восприимчивость, "vibrating reed" и т.д.). Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и совещаниях:

XXV Всесоюзное совещание по Физике низких температур, Ленинград, 25-27 октября, 1988 г.; I Всесоюзное совещание по высокотемпературной сверхпроводимости, Харьков, 20-23 декабря 1988 г.; Всесоюзная конференция "Радиоспектроскопия кристаллов с фазовыми переходами" - Киев. ИПМ АН УССР, 1989 г.; Beijing international conference on high-Тс superconductivity, Beijing, China, September 4-8, 1989.; Ill Всесоюзное совещание по высокотемпературной сверхпроводимости, Харьков, 15-19 апреля 1991 г.; 3-th international conference "Materials and Mechanisms of Superconductivity: High-Temperature Superconductors" (M2S-III), Kanazawa, Japan, July 22-26, 1991: XXIX совещание по Физике низких температур, Казань, 30 июня - 4 июля 1992 г.; XX International conference on Low Temperature Physics (LT-20), Eugene, OR, Aug.4-11, 1993.; 4-th international conference "Materials and Mechanisms of Superconductivity: High-Temperature Superconductors" (M2S-IV), Grenoble, France, 5-9 July 1994.; XXVII Congress AMPERE, Kazan, August 21-24,1994.; XXI International conference on Low Temperature Physics (LT-21), Prague,

August 8-14, 1996.; 4-th international conference "Materials and Mechanisms of Superconductivity: High-Temperature Superconductors" (M2S-V), Beijing. Feb.28 - Mar.4. 1997.; International conference "Spectroscopies in Novel Superconductors" (SNS'97), Boston, September 14-18, 1997.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 31 работе. Из них: 20 статей в центральных отечественных и зарубежных журналах; 3 статьи в сборниках научных трудов и 8 - тезисы докладов конференций.

Вклад автора диссертации в опубликованных работах:

постановка задач и формулировка основных экспериментальных и теоретических методов их решения;

участие в создании экспериментальных установок и проведении экспериментальных исследований;

анализ полученных результатов и их интерпретация.

Структура и объем диссертации