Динамика магнитного потока в высокотемпературных сверхпроводниках и многослойных структурах. тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Г) (1 Л'.,'' \

I у (.'¡и

0.1 РОССИЙСКАЯ АКАДЕШ1Я НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

На правах рукописи УДК 587.312.£2 ЛАРКИН Виктор Анатольевич.

Динамика магнитного потока в высокотемпературных сверхпроводниках и многослойных структурах.

Специальность 01.04.07. - физика твердого тела.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Черноголовка 1992.

Работа выполнена в Институте физики твердого тела РАН.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

член-корр.РАН И.Ф.ЩЕГОЛЕВ.

Официальные опоненты: - доктор физико-математическмх наук

член-корр. РАН Г. М. ЭЛИАШБЕРГ кандидат физико-математических наук

А. В. НИКУЛОВ

Ведущее предприятие - Институт химической физики

Черноголовка РАН

Зашита состоится на заседании специализированного совета Д< 003.11.04 Г^ !0ч*с 15^о(5р<?ло 1дд4 года

в Институте физики твердого тела РАН по адресу 142432 п/о Черноголовка.

С диссертацией мозно ознакомится в библиотеке ИФТТ РАН.

Автореферат разослан декабря 1993 года

Ученый секретарь совета - доктор физико-мат. наук

В.Д.КУЛАКОВСКИИ

Общая характеристика работы. Актуальность темы.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСГГ) привлекает исследователей перспективами практического использования и своими необычными свойствами. Применение

высокотемпературных сверхпроводников в технике и микроэлектронике зависит от возможности достижения высокого критического тока или удоволетворительных шумовых характеристик сверхпроводящих устройств при азотных температурах. Исследование процессов динамики магнитного потока представляет интерес как с технической, так и с физической точки зрения,так как изучение этих процессов позволяет получить информацию о параметрах сверхпроводящего состояния. Эти свойства связаны с особенностями динамики вихревых структур и возникающими при этом диссипативными процессами. С научной точки зрения интересно выявление специфики поведения нового класса сверхпроводников, слоистых сверхпроводников с высокой анизотропией, изучение сложных вихревых структур, влияние высокой анизотропии, неоднородностей и тепловых флуктуаций на сверхпроводящие свойства. Для этого необходимо исследование магнитных характеристик и транспортных свойств этих материалов. Для понимания связи особенностей динамики вихревых структур со слоистостью и большой анизотропией ВТСП, также требуется исследование модельных многослойных структур из традиционных материалов.

Постановка задач, решаемых в ходе работы над диссертацией отражала развитие исследований по ВТСП. Начало работы приходится на первые годы после открытия ВТСП, когда объектами исследований являлись керамики и несовершенные кристаллы на основе иттрия, и требовались ответы на самые общие вопросы, например, является ли сверхпроводимость в ВТСП объемной, применима ли. модель Вина к описание смешанного состояния в ВТСП. Одной из основных методических задач, решенных в данной работе, была задача измерения кривых стационарной намагниченности

монокристаллов ВТСП, получаемых в виде тонких пластин и дисков, и корректного извлечения критических параметров и анизотропии новых сверхпроводящих материалов.

Кзазидвумерность, полученных позднее монокристаллов Т1ВаСаСиО и {ПБгСаСцО, обусловила постановку следусщей задачи- исследование термо-магнитных эффектов, связаных с особенностями динамики флуктуационных пар "вихрь-антивихрь" вблизи температуры сверхпроводящего перехода в нулевом магнитном поле при прикладывании взаимно-перпендикулярных градиента температуры и электрического тока. Большой интерес представляхзт также терыо-магнитные явления, связанные с движением магнитного потока в ВТСП в магнитном поле. Возможное присутствие Джозефсоновских вихрей в сильно анизотропных ВТСП монокристаллах стимулировало изучение тепловой диффузии безкоровых Джозефсоновских вихрей в искусственных структурах, которое осуществлено нами на последнем этапе работы.

о

Целыэ настоящей работы является: Исследование стационарных кривых намагниченности с помощьо магнитометра на основе СКВИДа монокристаллов высокотемпературных сверхпроводников: УВаСиО и ПВаСаСиО.

Определение температурных зависимостей и анизотропии сверхпроводящих параметров (критического тока Лс, нижнего критического поля Нс1) .

Экспериментальный поиск и исследование новых термомагнитных явлений в монокристаллах ПВаСаСиО, связанных с динамикой пар "вихрь-антивихрь" во флуктационной области вблизи Тс.

Экспериментальный поиск и исследование нового эффекта -тепловой диффузии джозефсоновских вихрей, приводящей к появление поперечного термо-электрического напряжения на модельных БИБ сэндвичах Шэ/Си/Та.

Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые получены следующие результаты, выносимые на защиту:

1.Определена температурная зависимость и анизотропия нижнего критического поля в монокристаллах УВаСиО и ПВаСаСиО на основе чувствительных магнитных измерений с помощьо специально разработанного сквид-магнитометра. Обнаружено аномальное поведение температурной зависимости поля проникновения в монокристалл ПВаСаСиО в области низких температур.

2.Экспериментально наблюдались новые магнито термоэлектрические эффекты на монокристаллах НВаСаСиО. При приложении взаимно -перпендикулярных градиента температуры и транспортного тока были обнаружены пики напряжения и магнитного момента вблизи Тс. Эффекты связывается с тепловым увлечением $луктуационных вихрей в области перехода Березинского-Костерлица-Таулиса.

З.В специально приготовленных джозефсоновских структурах ИЬ-Си-Та обнаружен новый термомагнитный эффект, заключающийся в появлении напряжения на переходе в результате движения Джозефсоновских вихрей под действием градиента температуры, приложенного вдоль перехода.

Практическая значимость проделанной работы определяется возможностью использования полученных результатов при разработке конкретных криоэлектронных устройств на основе ВТСП : в частности накопителей и преобразователей энергии, чувствительных болометров, медицинского оборудования, суперкомпьютеров.

Результаты исследований флуктуационных и

термоэлектрических явлений позволяют определить оптимальные температурные условия для достижения минимума шумов, связанных с движением вихрей.

Публикации: Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 7- научных статьях.

Объем и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, 4 глав,выводов,списка цитируемой литературы и содержит 97 стр., включая 22 рисунка и библиографию из 55 •наименований.

Основное содержание диссертации.

Во введении обосновывается научная и практическая актуальность тематики диссертации, определяется цель работы.

Глава 1 посвящена обзору известных свойств обычных и высокотемпературных сверхпроводников. Рассмотрены

различные теории проникновения магнитного потока в "жесткие" сверхпроводники. Обсуждаются результаты ,

наблюдения флуктуационных и термоэлектрических явлений в сверхпроводящих пленках и джозефсоновских переходах.

В Главе 2 представлены разработанные нами методики и полученные результаты исследований кривых намагниченности монокристаллов ВТСП. Описана специально созданная высокочувствительная установка "ВЧ-СКВИД магнитометр ".

Эксперименты, выполненные на~ этой установке, позволили сделать вывод об объемном характере сверхпроводимости в монокристалах ВТСП У-Ва-Си-О, Ьа-Ва-Си-О, Т1-Ва-Са-Си-0. Исследован вопрос об особенностях критического состояния в монокристаллах ВТСП. Трудности, возникающие при использовании модели критического состояния для описания кривых намагничивания, обусловлены несколькими причинами, главной из которых является необходимость корректного учета влияния формы образца. Учет размагничивающего фактора

особенно существенней для монокристалов ВТСП, имеющих форму тонких пластинок, при направлении магнитного поля, перпендикулярном к плоскости пластинки. Если внешнее магнитное поле Н меньше поля проникновения Н*. линии магнитной индукции сильно искривляются, и напряженность магнитного поля сильно отличается от значения приложенного поля.

Важной проблемой,возникающей -при анализе экспериментальных данных, является влияние формы образца при определении Не 1 (Т) и Jc(T). Этот фактор особенно существенней для монокристаллов ВТСП, имеющих форму тонких пластин или пленок. Для извлечения зависимостей Hcl(T), Je CT), анизотропии и других параметров иттриевых и таллиевых монокристалов ВТСП использовалась специально разработанная расширенная модель Бина. Эта модель учитывает реальную форму образца, изменение размагничивающего фактора при проникновении поля в' образец, конфигурацию поля Н(х) в образце и равновесное значение величины магнитной индукции В(h).

Полученные результаты для Hcli(T) и Jci(T) приведены на рис. 1 и 2. Для Н параллельного плоскости ав поле Нс1 определялось непосредственно по точке отклонения кривой М(Н) от линейной зависимости. Полученная

таким образом температурная зависимость HclIHT) показана на рис.3. Такой простой метод определения начала проникновения потока в образец невозможен в случае Н перпедикулярного ав в связи с плавностью отхода от линейной зависимости. Анизотропия критического поля Нс1

составила в интервале 40-115К:

K=HcU/Hclll=60

В интервале температур от 115 до 50 К зависимость Hcli(T) практически линейна, что в пределах экспериментальной погрешности соответствует чистому пределу теории БКШ. Экстраполяция Hcll(T) дает:

Hellt 0)=400 Э. Используя это значение, можно получить глубину проникновения магнитного поля для Т=0: Лав=1200А = 0,12 мкм. Для получения высококачественных результатов требовалось измерение и обработка больших массивов данных - порядка (1000,1000) значений на одну точку.

О о

1С

■ 10-

о • -м 30 г, к

Рис. f. Те.чгературнжж заамсииэстъ 7,

j U 40 SO flx$

Рис 2 Темпср«Г7ря»* заычснмостъ

2

S00

}

0

о

о

о

о

а } 1

30

ПК)

Рис. Л Температур«* ижиоотосг» (ю»гате.£Г£(40 К) не «поете зжгокрно. я» (тсг*м обозначен» его этетеримем-тадьнхя ошибка, погрешность остальных ¿амосс паэла • пр<гтт1т нарисованных точек)

'/О

В третьей главе описываится впервые обнаруженные на монокристаллах Т1-Ва-Са-Си-0 магнитотермоэлектрические эффекты, проявлялщиеся в виде пиков вблизи Тс на температурной зависимости магнитного момента ■ и поперечного напряжения ( напряжение Нернста ) при приложении перпендикулярно направленных градиента температуры и транспортного тока. Эти эффекты мы связываем с динамикой флуктуационных пар "вихрь-антивихрь" "в области топологического фазового перехода Б-К-Т. Рис.4.

50 70 _50 __110 ЦО

температура К

Рис 4. Температурные зависимости магнитного момента Ы(Т) для монокристала Т1ВаСиО для различных транспортных токов при градиенте температур ~ 1 К/см.

Были обнаружены следующие экспериментальные факты. 1. Увеличение напряжения в области пика возникает при определенной температуре Тп (температуре Нернста) и начинает резко уменьшаться к температуре перехода Тс .

п

2. Пик уменьшается при уменьшении либо градиента температуры уТ , либо величины транспортного тока и исчезает при выключении любого из них.

3. Происходит изменение знака пика, практически, без изменения его формы при перемене знака транспортного тока, приложенного перпендикулярно градиенту температуры.

4. Знак пика не " изменяется при смене направления градиента- температуры на противоположное.

5. Внешнее приложенное магнитное поле (20-200 Ое), независимо от его знака заметно подавляет эффект, понижая величину пиков .

Другие механизмы уширения резистивного перехода (многофазность, нарушение перколяционного тока вблизи Тс), которые могут создать неоднородности вдоль образцов при включении градиента температуры и привести к возникновению петли тока и индукции, не могут привести к появлению описанного выше явления.

Обнаружено два вклада в напряжение, измеряемое на контактах, перпендикулярных градиенту температуры: вклад, обусловленный воздействием транспортного тока, и вклад, связанный с эффектом Нернста.

В отсутствие градиента температуры существует только первый вклад. Он отвечает за размытие перехода однородных квазидвумерных сверхпроводников в нулевом магнитном поле ниже Тп и связан с появлением выше Тп свободных вихрей разного знака, двигающихся под действием транспортного тока. Единственным возможным термоэлектрическим механизмом,

приводящим к появлению пика при измерении поперечного к градиенту температуры напряжения, может быть эффект Нернста, который может иметь место в сверхпроводящем состоянии при возникновении магнитной индукции В под действием тока и потока тепла даже в отсутствии внешнего магнитного поля.

В исследуемых образцах в присутствии взаимно перпендикулярных градиента температуры и транспортного тока нами был обнаружен магнитный момент.^ без приложения какого-либо внешнего поля, что подтверждает справедливость предложенного нами объяснения, так как эффекты , возникающие

вблизи Тс относятся к флуктуациям плазмы вихрей (диссоциир ованные флуктуации пар вихрей) в области температур выше *Тбкт(температура перехода Березинского- Костерлица-

Таулиса) и ниже критической температуры. Ясно, что вихревая плазма не вызывает изменения термоэлектрического напряжения без транспортного тока, потому что концентрация вихрей в общем равна концентрации антивихрей, и если они движутся в одном направлении под действием сил энтропии

Г=-57Т,

никакое напряжение не может возникнуть. В работе [1] на индиевых пленках 1п-1п0х транспортный ток индуцировал разбаланс вихрей - антивихрей в присутствии градиента температуры и создавал магнитный момент. Исползуя простую модель. мы можем получить взаимосвязь между наблюдаемыми пиками и уширением сверхпроводящего перехода вследствие динамики вихрь - антивихрь.

В четвертой главе представлено исследование вклада джозефсоновских вихрей в поперечное (нернстовское) термоэлектрическое напряжение в специально приготовленных джозефсоновских слоистых образцах Nb/Cu/Ta. Обнаружен и измерен новый термомагнитный эффект, связаный с тепловой диффузией джозефсоновских вихрей. Этот эффект подобен эффекту Нернста для сверхпроводников второго рода в смешаном состоянии. Из экспериментальных результатов извлечена величина "транспортной энтропии" на единицу длины вихря. Эта величина составляет . 10Е-12 А/Км и согласуется с теоретическими расчетами по величине критического поля Нс1(Т), полученной исходя из критического тока Jc(T) перехода.

В приложении описывается оригинальное программное обеспечение, которое позволило автоматизировать установку сквид - магнитометр. Эффективность исследований после автоматизации возросла примерно в 20 раз. На установке были изучены сотни различных объектов ВТСП.

Выводы.

Проведены экспериментальные иследования магнитных свойств сверхпроводящих монокристаллов Y-Ba-Cu-O, La-Ba-Cu-0, Tl-Ba-Ca-Cu-0.

Экспериментально обнаружены особенности температурной зависимости первого критического поля и критического тока

пининга.

Экспериментально обнаружен магнито-термоэлектрический эффект вблизи Тс монокристалов квазидвумерных ВТСП, который связан с возникновением и движением флуктационных вихрей магнитного потока.

Экспериментально обнаружен и~йзмерен термомагнитный вклад в напряжение Джозефсоновского перехода/ связаный с тепловой диффузией джозефсоновских вихрей. Этот эффект подобен эффекту Нернста для сверхпроводников второго рода в

смешаном состоянии. *

Создана высокочувствительная установка сквид магнитометр. Оригинальное программное обеспечение

позволило полностью автоматизировать процессы измерения.

Апробация и публикация. Результаты работы докладывались на научных семинарах в ИФТТ РАН, ИХФЧ РАН, Bar-Ilan University (Tel'-Aviv) , Weizmann Institute of Science, LT-20, Stanford University.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Объемный характер сверхпроводимости в монокристаллах YBa2Cu30x,.Г.А. Емельченко, М.В.Карцовник, П. А. Кононович, В. А.Ларкин, Ю. А. Осипьян, В.В.Рязанов, И.Ф.Щеголев Письма в ЖЭТФ, т.46, вып.4,с.162-164, 1987.

2. Критическое состояние и поле Нс1 в монокристаллах YBa2C u 30?_х М.В. Карцовник, В.А.Ларкин, В.В.Рязанов, Н.В.Сидоров, И.Ф. Щеголев Письма в ЖЭТФ, т. 47, вып.11,с.595-597, 1988.

3. Пиннинг и нижнее критическое поле в монокристаллах Та2Ва2СаСи20х А. В.Безрядин, В.Н.Копылов, В.М.Краснов,

В.А.Ларкин, В.В.Рязанов, Т.Г.Тогонидзе,И.Ф.Щеголев Письма в ЖЭТФ, т.51, вып.3, с.147-150, 1989.

4. The extended Bean critical state model for superconducting 3-axes ellipsoid and its application for obtaining the bulk critical field Hcl and the pinning current Jc in high-Tc superconducting single crystals. V. M.Krasnov, V.A.Larkin, V.V.Ryazanov. Phisica С 174, p.440-446, 1991.

5. Observation of magneto-thermoelectric effects in High Tc Superconducting Ta2Ba2CaCu20x single crystals. A.E.Koshelev, G.Yu.Logvenov, V.A.Larkin, V. V. Ryazanov, K.Ya.Soifer. Physica С 177, 1991,p.129-134

6. Re-entrant I-V characteristic in Layered Superconductors. I.B.Khalfln, V.A.Larkin, B. Ya. Shapiro, V.V.Oboznov. Phys.Rev.B46, 1992,p.11243-11246.

7. Nernst Effect in the Josephson SNS Junction. G.Yu.Logvenov, A.A.Golubov, V.A.Larkin, V.V.Ryazanov,

XX International Conference on Low Temperature Physics, 1993, pg.75.

Цитируемая литература 1. H.J.Lee, D.A.Rudman, J.C.Garland. Phys.Rev.Lett., 55, 1985, p.2065.