Введение к работе
Актуальность темы
В последние годы ведется интенсивное исследование высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов, в частности сверхпроводников II рода пониженной размерности (пленок, кристаллов с большим размагничивающим фактором и т.д.). Использование подобных образцов в современном эксперименте, а также применение лент BiSrCaCuO в качестве токонесущих ВТСП-элементов, диктует настоятельную необходимость создания теории, способной количественно описать магнитные и транспортные свойства этого класса сверхпроводников (СП). Значительное число опубликованных работ посвящено изучению свойств критического состояния в данных ВТСП-системах. Традиционно наиболее популярной теоретической моделью для описания критического состояния в сверхпроводниках является модель Вина [I], использующая простые дифференциальные соотношения между током и магнитной индукцией внутри образца. Однако, данная модель не описывает многих важных особенностей критсостояния, устанавливающегося в реальных СП. Так, к примеру, на масштабах порядка лондоновской глубины проникновения связь плотности вихрей и тока имеет более сложный нелокальный характер, это обстоятельство обуславливает необходимость применения нелокальной модели критического состояния [2]. Специфическими особенностями низкоразмерных сверхпроводников являются определяющая роль геометрических факторов 1! нелокальность взаимодействия пирл-абрикосовских вихрей. Эти особенности приводят к интегральной связи между локальной магнитной индукцией и плотностью тока [3,4] и требуют создания адекватной модели критического состояния, применимой в случае квазидвумерных сверхпроводников.
Известно, что структуру захваченного потока существенным образом 'определяет наличие краевого энергетического барьера на вход и выход вихрей.
Чаще всего этот барьер считается возникающим вследствие притяжения проникшего в сверхпроводник вихря к границе образца и называется барьером Бина-Ливингстона [1,5]. Многие авторы уделяют основное внимание изучению краевого барьера геометрической природы [6], характерного для низкоразмерных систем. В литературе обсуждаются также возможности создания поверхностного барьера искусственным путем, например, за счет увеличения интенсивности объемного пиннинга в прикраевом слое образца f7]. Однако, постепенно становится очевидным, что конкретная природа потенциального барьера, определяющего условия вхождения вихрей в сверхпроводник, слабо влияет на поведение абрикосовских вихрей во внутренних областях сверхпроводника. Это обстоятельство позволяет ввести упрощенное феноменологическое описание влияния барьера и, в пренебрежении пиннингом вихрей, построить теорию смешанного состояния низкоразмеркых сверхпроводников с краевым барьером [8].
Отметим, что в реальных образцах одновременно присутствуют как краевой барьер (КБ), так и объемный пиннинг (ОП) вихрей, причем соотношение между вкладами этих двух механизмов в необратимые характеристики сверхпроводников может быть произвольным. Оказывается, что в этих условиях может реализовываться критическое состояние нового типа, структура которого принципиально отличается от предлагаемой моделью Бина[б].
Цель работы
Целью работы явилось построение обобщенной модели критического состояния сверхпроводящих пленок, учитывающей как поверхностный (краевой), так и объемный механизмы необратимости, а также расчет на основе этой модели основных электромагнитных характеристик изучаемого класса сверхпроводников.
Научная новизна
-
В работе предложен новый метод расчета магнитных характеристик низкоразмерных сверхпроводников, основанный на технике повторного обращения интегралов типа Коши.
-
Впервые исследованы вихревые структуры, возникающие в критическом состоянии тонких сверхпроводящих пленок, в случае, когда объемный н поверхностный пиннинги сравнимы по величине.
-
В работе впервые изучены электромагнитные и диссипативные характеристики тонких сверхпроводящих пленок в случае одновременного присутствия краевого барьера и объемного пиннинга вихрен. В частности, построены кривые намагниченности и гистерезисные кривые, а также оценена мощность гистерезисных потерь на полном цикле изменения внешнего магнитного поля (транспортного тока).
-
Впервые классифицированы режимы резистивного перехода тонких сверхпроводящих пленок, рассчитана зависимость критического тока от внешнего магнитного поля при произвольном соотношении между вкладами поверхностного и объемного механизмов необратимости.
Научная и практическая значимость работы
-
В работе построена обобщенная модель критического состояния, реализующегося в низкоразмерных сверхпроводниках второго рода при наличии поверхностного и объемного механизмов необратимости.
-
Развитая модель и разработанные математические методы могут служить методической основой для расчета прикладных электромагнитных характеристик сверхпроводников пониженной размерности, используемых в реальных экспериментах, а также в качестве элементной базы при соїдашш
> устройств на основе ВТСП-технологий.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Сформулирована обобщенная модель критического состояния тонких сверхпроводящих пленок с краевым барьером.
-
Развит метод повторного обращения интегралов Коши, позволяющий эффективно рассчитывать распределения локальной индукции и токов в сверхпроводнике. .
-
Аналитически описаны статические распределения магнитного потока и токов для случая пленки с краевым барьером, помещенной во внешнее магнитное поле, а также для случая пленки с краевым барьером в токовом состоянии. Проанализировано поведение захваченных в образце вихрей при циклическом изменении внешнего магнитного поля (транспортного тока). Определен интервал полей (токов), в котором суммарный поток сохраняется.
-
На основе обобщенной модели критического состояния рассчитаны основные электромагнитные характеристики тонких пленок с краевым барьером и объемным пиннингом вихрей: кривая намагниченности, гистерезисная кривая, мощность гистерезисных потерь; проведен анализ их зависимости от высоты краевого барьера и интенсивности объемного пиннинга вихрей. Установлено, что эти характеристики имеют нетривиальное поведение в случае, когда интенсивности краевого и объемного пиннинга сравнимы по величине, и принимают общеизвестный вид в случае преобладания одного из механизмов необратимости.
-
Рассчитана зависимость критического тока тонкой пленки от внешнего магнитного поля при произвольном соотношении между интенсивностями объемного и поверхностного пиннинга вихрей. Показано, что критический ток пленки монотонно растет с повышением краевого барьера, заметно (~ на 50% в оптимальном случае) превышая значения, предсказанные классической моделью Бина. В пространстве параметров «внешнее поле -транспортный ток - высота барьера» определена область существования статического смешанного состояния.
6. Установлено, что в низкоразмерных сверхпроводниках с одновременным
присутствием краевого барьера и объемного пиннинга в зависимости от
величины внешнего магнитного поля осуществляется один из механизмов
резистивногс перехода: аннигиляционный, сносовый и переход
непосредственно из Мейсснеровского состояния. Определена область реализации каждого из механизмов РП на плоскости параметров «внешнее поле - высота барьера». Обнаружено, что критический ток пленки возрастает с увеличением внешнего магнитного поля, если резистивный переход происходит в результате начала аннигиляции вихрей противоположных знаков.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались на 9-м Международном семинаре по магнитным и резистивным свойствам
сверхпроводников MRSS-95 (Черноголовка, 1995 г.), на Международных конференциях по физике низких температур (LT-21, Прага, 1996 г.; LT-22, Хельсинки, 1999 г.), на 10-м Германо-Росснйско-Украинском Совещании по сверхпроводимости (Н. Новгород, 1997 г.), на 1-ой Российской школе по сверхпроводимости (Черноголовка, 1998 г.).
Публикации
Основные результаты работы изложены в 6 публикациях, список которых
приведен в конце автореферата. Работа выполнялась при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант №93-2-16876), Международного Научного Фонда (фант № R8J300), Миннауки РФ (Проекты №95-057 и №98-012), Госкомвуза РФ (фант № 95-0-7.3- Ш),
Международного Центра - Фонда Перспективных Исследований Н. Новгорода (гранты № 97-2-10 и №99-2-03).
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, четырех приложений и списка используемой литературы. Объем диссертации составляет 107 страниц, включая 28 рисунков. Список литературы содержит 71 наименование.
