Экспериментальное исследование магниторезистивного эффекта в композитах на основе ВТСП тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ДУБРОВСКИЙ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТОРЕЗИСТИВНОГО ЭФФЕКТА В КОМПОЗИТАХ НА ОСНОВЕ ВТСП

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Красноярск - 2008

003455800

Работа выполнена в Институте физики им. JT В Киренского СО РАН

Научный руководитель:

кандидат физико - математических наук, доцент Баласв Д.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико - математических наук, профессор Патрин Г.С.

доктор физико - математических наук, профессор Вальков В.В.

Ведущая организация:

Новосибирский Государственный университет

Защита состоится 24 г. в * часов на заседании Диссертаци-

онного совета Д 003.055.02 fío защитам диссертаций при Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН по адресу. 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50, строение 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН

Автореферат разослан " Н-рА^иЯ.

2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ. - мат. наук__Втюрин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В литсрагуре известны такие явления в гранулярных высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), как гистерезис магнитосопрогивления и критического тока от магнитного поля и временная релаксация сопротивления после воздействия магнитного поля. Обычно авторы для объяснения этих явлений используют понятие «захваченный образцом ноток» ввиду схожести данных явлений с широко известным гистерезисом намагниченности и релаксации намагниченности. Действительно, возможные механизмы, приводящие к этим явлениям, это - либо влияние захваченного в межгранульных границах магнитного потока (пиннингование джозефсоновских вихрен), либо влияние потока, захваченного гранулами ВТСП, на межгранульную среду, либо суперпозиция указанных механизмов. Однако до последнего времени не было предложено четких экспериментальных критериев, указывающих на домшшрование того или иного механизма, приводящего к гистерезисным явлениям транспортных свойств в гранулярных ВТСП материалах. Поэтому определение данного критерия и установление механизма, ответственного за гистерезис и релаксацию магнитосопротивления в гранулярных ВТСП является актуальной физической задачей, имеющей фундаментальное значешк.

Поликристаллические ВТСП, получаемые стандартной методикой твердофазного синтеза, можно упрощенно рассматривать как двухуровневую систему, состоящую из двух подсистем: BTCII гранул и межгранульных границ. Критический ток, диссипация во внешнем поле (мапштосопротивление) определяются джозефсоновскими слабыми связями на межгранульных границах.

Помимо «чистых« поликристалличесюк ВТСП, гальваномагнитные явления можно исследовать и в композитах на основе ВТСП. Исследования транспортных и магнитных свойств двухфазных композитов на основе ВТСП показали, что такие объекты можно рассматривать как «модельные» гранулярные ВТСП. Джозефсоновские связи в композитных ВТСП дополнительно ослаблены по сравнению с «чистыми» ВТСП, тогда как свойства ВТСП гранул остаются неизменными. Композитные ВТСП являются более удобным объектом для исследования, поскольку обладают достаточно низкими значениями критического тока (10"2-И0 А/см2) при температуре жидкого гелия. Это позволяет проводить измерения магнитосопротивления в широком интервале темперагур, используя относительно низкие значения аппаратурного транспортного тока (1-Й 0 мА).

Цель данной работы - экспериментальное изучение механизма, определяющего гистерезис магнитосопротивления и временную эволюцию электросопротивления в постоян-

з л

v ,

ном магнитном поле в различных гранулярных ВТСП (иттриевая, висмутовая, лантановая керамики и композиты на основе иттриевой керамики).

В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи

1. Провести целенаправленное исследование гистерезисных зависимостей критического тока и мапштосопротивления композитов на основе ВТСП (Узди^иВагСизСЬ + СиО) при различных величинах транспортного тока, как меньше критического, так и выше 1с. Интерпретировать полученные результаты и установить критерий определения доминирующего механизма, определяющего данные гистерезисные явления.

2 Провести измерения релаксации остаточного электросопротивления композитов на основе ВТСП (УзмЬишВа2Сиз07 + СиО) после воздействия магнитного поля при различных величинах транспортного тока Интерпретировать результаты и проверить справедливость использования теории Андерсона-Кима для расчета энергии пиннингования вихрей из резистивных измерений.

3. Исследовать временную эволюцию электросопротивления композитов на основе ВТСП (УздЬи^ВагСизО? + СиО) в приложенном постоянном магнитном поле.

4. Исследовать гистерезисные зависимости магнитосопротивления и эволюцию электросопротивления в постоянных магнитных полях на «чистых» гранулярных ВТСП классических систем (Уз/Дл^иВагСизО?, В11 вРЬозЭг! «СагСизОх и Ьа^Зго 15Си04) и выяснить физический механизм, обуславливающий указанные явления в данных объектах.

Научная новизна:

1. Впервые продемонстрирована взаимосвязь гистерезиса критического тока 1с(Н) и появление таких характерных особенностей гистерезисной зависимости магнитосопротивления Я(Н), как остаточное сопротивление, участок с нулевым сопротивлением или минимум на ветви обратного хода зависимости К(Н) в гранулярных ВТСП и показано, что гистерезисные явления транспортных свойств гранулярных ВТСП обусловлены только влиянием магнитных моментов сверхпроводящих гранул на межгранульную среду, а пиннинг вихрей в джозефсоновской среде несущественен.

2. Впервые показано, что эффект релаксации остаточного сопротивления гранулярного ВТСП после воздействия магнитного поля вызван только релаксацией магнитного штока в ВТСП гранулах, а транспортный ток регулирует "чувствительность" отклика электросопротивления и остаточного сопротивления на величину магнитной индукции в межгранульной среде.

3 Впервые обнаружена смена характера временной эволюции электросопротивления гранулярного ВТСП (как композитов, так и «чистых» ВТСП УздЬишВа^СизО?) в постоянном внешнем магнитном поле. При возрастании, а затем остановке внешнего поля мапштосопротивление релаксирует (уменьшается с течением времени). При уменьшении, а затем остановке поля сопротивление возрастает, а в области полей, меньших точки минимума обратного хода зависимости R(H), мапштосопротивление снова релаксирует с течением времени. 4. Впервые показано, что полевая ширина гистерезиса магнитосопротивления гранулярных ВТСП является универсальным, независящим от транспортного тока параметром, характеризующим внутригранульный пиннинг и сжатие магнитного потока в межгранулыюй среде Это указывает на то, что доминирующим механизмом, определяющим гистерезис R(H), является захват магнитного потока в ВТСП гранулах и влияние магнитных моментов ВТСП-гранул на поле в межгранульной среде. Практическая ценность Целенаправленно экспериментально исследованы гистере-зисные зависимости магнитосопротивления гранулярных ВТСП систем (Уз/Д-ишВагСизО?. Bii gPbo 3Srt 9Са2Си3Оч, Lai 8sSr015C11O4 и композитов Уз.чЬд^мВагСизСЬ + CuO) и временная эволюция электросопротивления таких систем в постоянном внешнем магнитном поле На основании полученных результатов была развита модель гранулярного ВТСП, подтверждающая, что гистерезисные зависимости транспортных свойств и времеш1ая эволюция электросопротивления в гранулярных ВТСП определяются влиянием потока, захваченного в ВТСП гранулах.

На защиту выносятся:

1. Результаты измерения гистерезисных зависимостей магнитосопротивления композита Y3/4Lu]/4Ba2Cu3C>7 + CuO. Анализ полученных результатов в рамках модели гранулярного ВТСП.

2. Результаты измерений релаксации остаточного сопротивления в композитах УздЬи^ВагСизСЬ + СиО после воздействия магнитного поля.

3. Результаты измерений временной эволюции сопротивления композитов УздЬи^агСизСЬ + СиО в постоянном приложенном магнитном поле.

4. Результаты измерений гистерезисных зависимостей магнитосопротивления и временной эволюции электросопротивления в «чистых» гранулярных ВТСП классических систем (Y-Ba-Cu-O, Bi-Ca-Sr-Cu-O, и La-Sr-Cu-O).

Апробация. Материалы диссертации были представлены на международных конференциях по ВТСП: 8-th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (M2S-HTSC-VIII). Dresden. Germany 9-14 July

2006, Вторая международная конференция Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости (ФПС 06'), Москва, Звенигород 9-13 октября 2006 г, 25-th Conference on low temperature physics (LT 25), Amsterdam, 6-13 August 2008.

Публикации По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 108 стр машинописного текста, включая 32 рисунка и список цитированной литературы (85 наименований).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении указана актуальность темы, сформулирована цель, показаны новизна и практическая ценность исследований, приведена аннотация полученных результатов и структура диссертации.

В первой главе проведен обзор экспериментальных работ, посвященных исследованию транспортных свойств ВТСП в магнитных полях на примере композитов и «чистых» гранулярных ВТСП; особое внимание уделено гистерезисным явлениям и релаксационным процессам в поликристатлических ВТСП-материалах В конце литературного обзора дана постановка задачи

Во второй главе приведены методики синтеза ВТСП-поликристаллов классических соединений (Y^LuiwBazCujOi, Bij gPboiSri 9Са2СизО% и Lai ssSro isCu04) и композитных образцов на основе ВТСП (Уз/Дл^дВагСизО? + СиО) [1], а так же результаты рентгенострук-турного анализа полученных ингредиентов и композитов Далее в разделе описаны экспериментальные методики измерения транспортных характеристик поликристаллических композитных ВТСП в магнитных полях при различных температурах, основанные на стандартном 4-х зоцдовом методе. Также описан метод измерения намагниченности на установке «вибрационный магнетометр со сверхпроводящим соленоидом».

В третьей главе приведены результаты исследования гистерезисных зависимостей маг-нитосопротивления R(H) и критического тока 1с(Н) композитов из ВТСГ1 УзмЬи1/4ВагСиз07 и СиО. Данные композиты являются «модельными» гранулярными ВТСП с ослабленными джозефсоновскими связями Измерения температурных зависимостей намагниченности композитных образцов показали, что все образцы имеют одинаковую температуру начала перехода, равную 93.5 К, что соответствует Тс исходного ВТСП.

В главе подробно рассмотрена модель гра1[улярных ВТСП как двухуровневая сверхпроводящая система [2, 3] ВТСП - кристаллиты с сильной сверхпроводимостью и меж-кристаллитные границы, формирующие слабые связи джозефсоновского типа. Практически всегда в области низких температур в эксперименте выполняются неравенства Н «

Неге (Неге ~ веРхиее критическое поле для ВТСП гранул) «]Сц Усй - плотность критического тока для ВТСП гранул) Поэтому если гранулярный ВТСП обладает ненулевым электросопротивлением, то вся диссипация как в присутствии внешнего магнитного поля, гак и без него, происходит только в джозефсоновской среде. Поле, большее Ней, проникает в систему межкристаллит ных границ в виде гипервихрей или джозефсоновских вихрей, размер которых уменьшается с ростом поля Из-за сильной зависимости критического тока (а значит и сопротивления) джозефсоновских переходов от магнитного поля [4], а также огромного числа межкристаллитных границ 103 на 1 шгп) в поликристалле, эти объекты демонстрируют высокую чувствительность к внешнему полю.

Вначале упростим вышеупомянутую двухуровневую систему, считая, что пиннинг в джозефсоновских барьерах, т.е. в межгранульных границах пренебрежимо мал и магнитный поток захватывается только внутри сверхпроводящих гранул. Примем также, что и вклад межгранульных границ в диамагнитный отклик образца тоже пренебрежимо мал. В этом случае при Н > Ней на каждую точку джозефсоновской среды действует локальное поле В|оса1 - векторная сумма внешнего поля Я и поля В,„а, индуцированного диамагнитным откликом гранул, окружающих данную точку:

В,оса| = Я + 4яА/к> = 4л А/ к (1)

где к - коэффициент, зависящий от расположения и формы гранул, окружающих данную точку, М - намагниченность гранул ВТСП. На рис. 1 схематично показаны линии магнитной индукции Вт1 в джозефсоновской среде, возникшие от диамагнитного отклика ВТСП гранул. Рассмотрим направление Втл в области границ между гранулами ВТСП, через которую туннелируют носители тока

Рис 1. Схематическое пред-стаитение гранулярного ВТСП во внешнем поле Н. Мо - ди-польный магнитный момент I гранул ВТСП, М) - магнитный /АД4- у- момент от джозефсоновской

' \ ' среды, он гораздо меньше по

/Тшс+'^+'у^ значению, чем Мо Пунктирные

Ь линии - линии напряженности + магнитного поля, индуцированного магнитным откликом ВТСП гранул

И п

Поскольку ) 1 И. то в случае возрастания внешнего поля (рис. 1 а) в большей части переходов, по которым течет транспортный ток, линии магнитной индукции Втл направлены преимущественно в ту же сторону, что и внешнее поле Н. Поэтому локальные поля в указанной области границ между гранулами будут больше внешнего поля Если внешнее по-

ле убывает Н = Hi, рис. 1 Ь, и Hi находится достаточно далеко от Hw, го намагниченность гранул становится положительной (это следует из классического рассмотрения пин-нинга абрикосовских вихрей). Тогда в рассматриваемой области границ между ВТСП гранулами линии магнитной индукции Бтd направлены уже против внешнего поля Можно говорить об эффективном поле Bejf, в котором находится джозефсоновская среда, если усреднить значения модуля | B|ocai | но всем межгранульным границам, через которые тунне-лируют носители:

Beff = <\В, local|> = Н - 4я М(Н) . (2)

Выражение для эффективного поля усложнится, если учесть пиншшг в джозефсонов-ской среде и её намагниченность Mj. Mj является откликом джозефсоновской среды на суперпозицшо внешнего поля Н и поля, индуцированного гранулами Вшi. В общем случае Mj направлена в ту же сторону, что и Ма - намагниченность гранул. В области рассматриваемых межгранульных границ Mi да8т вклад в В\оы. противоположный Blnd, см рис. 1. По аналогии с (2) можно записать.

Betr= H-47t(MG(H)-Mj(H,j)). , (3)

Согласно представлениям о поведении вихрей в сверхпроводнике в случае протекашм транспортного тока-в присутствии магнитного поля, ток, больший критического, кардинально изменяет профиль координатной функции потенциала пиннинга [5, 6]. Вследствие действия силы Лоренца вихри срываются с центров пиннинга. Поэтому Mj будет функцией транспортного тока Следовательно, если шпшинг в джозефсоновской среде значителен, то можно ожидать, что транспортный ток будет влиять на эффективное поле Betr в джозефсоновской среде

На рис. 2 приведены гистерезисные зависимости R(H) образца Y-Ba-Cu-О + 30 CuO при различных величинах транспортного тока (2-5-10 шА, как меньше критического в нулевом внешнем поле, Ic(T = 4.2К, Н = 0) = 4.5 гпА, так и больше) при различных фиксированных значениях Нт,ч= 1,2, 3, ..7Юе и разность ДН^С0П51= (Н; - Нт) от Hi, т.е. длина отрезка между точками пересечения линии R = const с зависимостями R(Ht) и R(H|), как функция поля Hi Отметим, что использовать ДН, как параметр, характеризующий гистерезис R(H), было предложено в данной работе впервые.

Рис 2 Гистерезнс-ныс зависимости | ЩН) образца У-Ва-| Си-0 + 30 СиО при ' различных величинах транспортного г - тока (2, 4, 7, 10 мА снизу вверх) (а) и разность

ДНи-с^Щ-Нт) от Щ(Ь)

Н, кОе

Н, кОе

Равенство сопротивлений в полях Ht и Hi, R(Hr) = R(Hi), означает равенство эффективных полей в этих точках: Веп(Нт) = Ben(Hi). В случае когда пишшнг в джозефсонов-ской среде и вклад в намагниченность от неё малы, из (2) получим:

Нт - 4п М(Нт) = Щ - 4л M(Hi) (4)

следовательно ширина гистерезиса мапштосопротивления ДН = Hi - Нт при R = const будет равна:

AHR=const = Hi - Ht = 4л (М(Щ) - М(Нт)). (5)

Видно, что параметр AHR=Const зависит только от намагниченности гранул ВТСП и не зависит от транспортного тока.

Для случая, когда закрепление вихрей в джозефсоновской среде может дать заметный вклад в локальные поля (1), из уравнения (3) получим:

= Hi - Ht = 4ti (MG(Hi) - Mj(Hi, j)) -- 4к (М(И-г) - Mj(Ht, j)). (6)

В этом случае ширина гистерезиса мапштосопротивления должна зависеть от транспортного тока ввиду зависимостей Mj(Hj).

На рис. 2 показан пример определения ширины гистерезиса мапштосопротивления, максимальное введенное поле Нщач, = 7 кОе, Щ = 5 кОе. Анализируя наши экспериментальные результаты, на рис. 2, а также данные, полученные на других композитных образцах, мы обнаружили, что ширина петли гистерезиса магнитосопротивления, действительно, не зависит от транспортного тока. Рис. 2 иллюстрирует описанную особенность. Данные по AHR=c0nsl для измерений R(H) при различных токах совпадают в пределах точности эксперимента. Т е., несмотря на то, что сама форма кривых R(Ht) и R(Hi) сильно

изменяется с ростом тока, что видно на рис. 2, остается постоянной разница АНк=Сопя= tU -Hr. Величина ДНк=с0ПЗ, определяется только Нта.ч, i.e захваченным внутри гранул потоком или внутригранульным пиннигом. Исходя из соображений, приведённых выше (выражение (5)), авторы считают, что независимость ширины гистерезиса от транспортного тока может однозначно быть интерпретирована как то, что гистерезис магнитосопротив-ления в случае объектов, исследованных в данной работе, определяется только потоком, захваченным внутри ВТСП гранул

В четвертой главе приведено исследование временной эволюции магнитосопротивле-ния гранулярных композитов на основе ВТСП (Y-Ba-Cu-O) и СиО в постоянных магнитных полях.

Сначала остановимся на временной релаксации остаточного сопротивления после воздействия магнитного поля. При Н| = 0 в межгранульной среде остаётся наведённая ненулевая магнитная индукция, что приводит к появлению остаточного электросопротивления R,en,. Релаксация намагниченности ВТСП гранул приводит к уменьшению магнитной индукции, наведенной в межгранульном пространстве. А поскольку вся диссипация происходит в межгранульных границах, то эти границы (переходы джозеф-соновского типа) реагируют на уменьшение наведённой магнитной индукции и остаточное сопротивление также релаксирует со временем. На рис. 3 приведены типичные зависимости Urein (остаточного напряжения при заданном токе, Rrem-Urem 11) от времени для образца Y-Ba-Cu-0 + 40 CuO после ввода/вывода внешнего поля до величины Н,пах = 5 кОе

Для интерпретации данных по релаксации остаточного электросопротивления было предложено сопоставлять величину Rrem с равным ему значением сопротивления на зависимости R(H) (прямой ход зависимости R(H)). Действительно, равенство электросопротивления Rrem и R(Hr = Н*) означает, что величина магнитной индукции, усреднённой по всем межгранульным границам <Дп<1>, одинакова в точках Щ = 0 (после

t, sec

Рис. 3. Релаксация остаточного сопротивления R(.em от времени образцов YBCO + 40 СиО.

ю

приложен™ Hml4) и Н) = Н*. Поле Н* определяется как абсцисса пересечения линии R(H) =■ Rrsm и ветви прямого хода зависимости R(II) На рис. 4 подробно показаны начальные участки прямого хода R(H) композита Y-Ba-Cu-О + 40 CuO и точки пересечения этих зависимостей с прямыми R(H) = Rrem, соответствующими данному транспортному току. Оказалось, что величина Н* одинакова для всех значений транспортного тока и равна « 440 Ое (при Нщщ = 5 Юе).

Также на рис. 4 приведены значения Rtcm(t = 3000 sec) (точки на оси ординат), те., сопротивление, измеренное через 3000 sec после вывода поля. Мы сопоставили величину Rrem(t = 3000 sec) с равным ему значением сопротивления на зависимости R(Ht) подобно тому, как это сделано для значений Rrem(t = 0 sec). Из рис. 4 видно, что поле H*(t = 3000 sec), т.е.. абсцисса пересечения линии R(H) = Rrem(t= 3000 sec) с зависимостью R(Ht) также одинаково для всех

Рис. 4 Гистерезисные завиашости мапаггосопротивпения значений транспортного тока и CO-

^^а^СО + 40Си0приТ = 4'2Кв0бЛаСТИПОЛеЙД° ставляет величину «385 Ое. Для

О 65 Юе. На рисунке указаны остаточное сопротивлешю

Rt«(t=0) "величины Rrem через t = 3000 sec. других значений t ситуация анало-

гична. Низкие величины транспортного тока не могут индуцировать поле в образце, сравнимое с внешним полем. Поэтому величина <Bmi> при одинаковой магнитной предыстории одна и та же при разных токах. Подобные результаты получены и для других композитных образцов.

В случае учёта пиннинга в межгранульных границах картина проникновения поля в гранулярный сверхпроводник (рис. 1), усложнится и <Bm(j> при Hj. = 0 будет определяться суперпозицией полей, наведённых абрикосовскими вихрями, и джозефсоповскими вихрями в межгранульной среде [7, 8, 9]. Однако транспортный ток, больший критического для джозефсоновских переходов, будет способствовать дополнительному срыву вихрей из межгранульной среды, что должно приводить к уменьшению величины <Bmi> с ростом тока, и, как следствие, зависимости Н* от 1 Поскольку такого в эксперименте не наблюдается, то можно заключить, что релаксация электросопротивления исследованных ВТСП

it

НДОе

композитов вызвана только релаксацией магнитного потока, захваченного сверхпроводящими гранулами. Уменьшение поля Н* с течением времени (~ 55 Ое в течении ~ 3000 sec) одинаково для различных плотностей транспортного тока, и это является, на наш взгляд, убедительным доказательством того, что релаксация остаточного электросопротивления в исследованных композитных образцах, вызвана уменьшением магнитной индукции <Втл> в межгранульной среде, которая, в свою очередь, связана с процессами выхода вихрей из ВТСП гранул

При измерениях временной эволюции магнитосонротивления в постоянном магнитном поле была обнаружена смена характера изменения электросопротивления. Впервые обнаружено, что при возрастании, а затем остановке внешнего магнитного поля электросопротивление уменьшается, а при убывании/остановке поля увеличивается со временем В диапазоне малых полей при условиях Н = const сопротивление снова уменьшается с течением времени.

Остановимся на объяснении наблюдаемой смены характера эволюции релаксации электросопротивления. При остановке внешнего поля на прямом ходу зависимости R(H) или М(Н), модуль намагниченности уменьшается со временем. Значит, уменьшается и поле в межгранульной среде, индуцированное дипольными моментами гранул. Это индуцированное поле дает различный по знаку вклад в эффективное поле в межгранульной среде на прямой и обратной ветви зависимости R(H), см. рис. 1. Значит, в случае возрастания внешнего поля, релаксация намагниченности приводит к уменьшению эффективного поля в межгранульной среде, и электросопротивление уменьшается со временем. Когда поле убывает, индуцированное гранулами поле направлено против внешнего и релаксация намагниченности приводит к увеличению эффективного поля, следовательно, сопротивление увеличивается со временем. В полях, меньших точки минимума обратного хода R(H) (вплоть до На« = 0), индуцированное поле преобладает над внешним, и релаксация намагниченности приводит к тому, что эффективное поле уменьшается и R также релаксирует.

В пятой главе приводятся результаты исследования гистерезисного поведения магнито-сопротивления R(H) и его временной эволюции в магнитных полях гранулярных ВТСП классических систем Y-Ba-Cu-O, Bi-Ca-Sr-Cu-O, и La-Sr-Cu-0 при различных плотностях транспортного тока, как меньше критической (при Н = 0), так и больше нее. Т.е. в данной главе были проведены эксперименты, подобные исследованиям предыдущих глав, но не на композитах, а на «чистых» гранулярных ВТСП.

На рис. 5 приведены гистерсзисные зависимости магнитосопротивления исследованных образцов, измеренные при различных величинах транспортного тока

Шу.

Рис. 5 Гистерсзисные зависимости магнитосопротивления исследованных гранулярных ВТСП при различных значениях транспортного тока!

На рис. 6 приведены зависимости полевой ширины гистерезиса, см. (5), ДН(Щ) для результатов, приведённых на рис. 5. В пределах точности экспериментальных данных (которые определяются как точностью задания максимально приложенного поля Hmlv, так и погрешностью измерения Н и R) мы не обнаружили влияния варьирования транспортного тока на полевую ширину гистерезиса R(H) Для Y-Ba-Cu-О измерения проведены при токах I = 10---150 тА (диапазон полей до 220 Ое) и I = 100-^-500 тА (диапазон полей до 1600 Ое), то есть, практически вплоть до Ic (Ic (77.4К) = 600 тА). Указанное поведение характерно как для относительно слабых полей (200 Ое), так в диапазоне нолей до 1600 Ое. Для Bi-Ca-Sr-Cu-О полевая ширина гистерезиса тоже не завимгт от тока как при 1 < 1с, так и при I > 1с (1= 50-700 mA, Ic (77.4К) « 400 тА) в диапазоне слабых (до 220 Ое) полей, а также в полях до 2 Юе (диапазон боль-

п , р, ших полей на рисунке не показан, т к.

Рис 6. Полевая ширина гистерезиса r J

ДН = НГН|, определенная из данных гистерезис R(H) достаточно узок). Что рис 5 по условию R = const

касается образца La-Sr-Cu-O, то нам удалось провести измерения при температуре 4.2 К в достаточно узком диапазоне транспортного тока I = 30+50 тА (Ic (4.2К) = 300 тА), и в этом случае ширина гистерезиса магнитосопротивления также не зависит от I (для этого образца зависимости R(H) измерялись до различных значений Нтах = 1.0, 2 0, 3.0, 4.0, 5.0,6 0 кОе).

Н .Ос

Таким образом, независимость параметра ЛН(Н;) от транспортного тока наблюдается не только на ВТСП-композитах с ослабленными джозефсоновскими связями, а характерна и для гранулярных ВТСП с джозефсоновскими связями, сформированными «естественными» межгранульными границами Обнаруженное поведение можно считать убедительным доказательством того, что гистерезисное поведение магнитосопротивления гранулярного ВТСП определяется в основном влиянием потока, захваченного в сверхпроводящих гранулах. Параметр ДН(ЬЦ) - полевую ширину гистерезиса магнитосопротивления можно считать до некоторой степени универсальным. Он определяется только внутригра-нульным пиннингом.

Исследования временной эволюции магнитосопротивления во внешних полях, проведённые на системах У-Ва-Си-О, ВьСа-Бг-Си-О при температуре 77 К и в полях до 250 Ое показали, что 1). релаксация остаточного электросопротивления Игет вызвана только релаксацией магнитного потока, захваченного сверхпроводящими гранулами, подобно тому, что наблюдалась на композитах (Рис 4); 2). смена характера временной эволюции магнитосопротивления в постоянном внешнем поле, обнаруженная на композитах наблюдается и на гранулярном У-Ва-Си-0 при Т= 77 К. Таким образом, поведение временной эволюции магнитосопротивления не является свойством ВТСП - композитов, а присуще и гранулярным ВТСП классических систем.

В заключении диссертации сформулированы основные выводы работы:

1. Исследованы гистерезисные зависимости критического тока и магнитосопротивления композитов на основе ВТСП (УздЬи^ВагСи^О; + СиО) при различных величинах транспортного тока. Продемонстрирована взаимосвязь гистерезиса критического тока 1с(Н) и появление таких характерных особенностей гистерезисной зависимости магнитосопротивления К(Н), как остаточное сопротивление, участок с нулевым сопротивлением или минимум на ветви обратного хода зависимости ЩН). Полученные результаты интерпретированы в рамках модели для гранулярного ВТСП Для определения доминирующего механизма, ответственного за указанные явления, впервые предложено использовать следующий параметр - полевую ширину гистерезиса магнитосопротивления. Показано, что этот параметр не зависит от транспортного тока. Это свидетельствует о том, что гистерезисные явления транспортных свойств, обусловлены только влиянием магнитных моментов сверхпроводящих гранул на межгранульную среду, а пиннинг вихрей в джозефсоновской среде несущественен.

2. Измерения релаксации остаточного электросопротивления композитов на основе ВТСП (Уз4Ьи|,4Ва:Си307 ^ СиО) после воздействия магнитного поля, показали, что

и

этот эффект вызван только релаксацией магнитного потока в ВТСП гранулах, а транспортный ток регулирует "чувствительность" отклика электросопротивления и остаточного сопротивления на величину магшпной индукции в межгранулыюй среде. Поэтому использование выражения, следующего из андерсоновской теории для расчета энергии пиннинга вихрей, некорректно для случая резисгивных измерений.

3. Впервые обнаружена смена характера временной эволюции электросопротивления гранулярного ВТСП (как композитов, так и «чистых» ВТСП Уз^ЬищВагСизО?) в постоянном внешнем магнитном поле. При возрастании, а затем остановке внешнего поля матитосопротивление релаксирует (уменьшается с течением времени). При уменьшенш, а затем остановке поля сопротивление возрастает, а в области полей, меньших точки минимума обратного хода зависимости R(H), магнитосопро-тивление снова релаксирует с течением времени. Обнаруженный эффект объясняется влиянием релаксации намагниченности (по модулю) отдельных сверхпроводящих гранул и, как следствие, временной эволюции эффективного поля в межгранульной среде.

4. Исследованы гистерезисные зависимости магнитосопротивления и эволюции электросопротивления в постоянных магнитных полях (включая Н-0) гранулярных ВТСП классических систем (Y3MLui/4Ba2Cu307, Bii sPbcnSr, 9Ca2Cu30N и Lai ssSro isCu04). Показано, что предложенный параметр - полевая ширина гистерезиса магнитосопротивления является универсальным, независящим от транспортного тока параметром, характеризующим внутрнгранулькый пиишшг и сжатие магнитного потока в межгранульной среде. Это указывает на то, что доминирующим механизмом, определяющим гистерезис R(H), является захват магнитного потока в ВТСП гранулах и влияние магнитных моментов ВТСП-гранул на поле в межгранульной среде Пиннинг джозефсоновских вихрей не оказывает существенного влияния на гистерезисное поведение R(H), а диссипация определяется процессами течения джозефсоновских вихрей в межгранульной среде. Экспериментальные данные по релаксации сопротивления подтверждают этот вывод.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Д.А. Бадаев, ДМ. Гохфельд, A.A. Дубровский, С.И. Попков, К.А. Шайхутдинов, М.И. Петров. Гистерезис магнитосопротивления гранулярных ВТСП как проявление магнитного потока, захваченного сверхпроводящими гранулами, на примере композитов YBCO + СиО // ЖЭТФ -2007 -Т 132,№6,С 1340-1351

2. D.A. baiaev, A. A Dubrovskiy, K.A Shayklnitdinov, S 1 Popkov, M.I. Petrov. Time relaxation of residual resistance of HTSC-based composites // Physica C. - 2007. - V 460462, pp. 1309-1310

3. Д.А. Балаев, A.A. Дубровский, С.И. Попков, K.A. Шайхутдинов, МИ Петров. Механизм релаксации остаточного электросопротивления гранулярных ВТСП после воздействия магнитного поля на примере композетов Y-B-C-O+CuO // ФТТ. -2008. -Т. 50, №6, С. 972-979.

4. D.A Baiaev, A.A. Dubrovskiy, K.A. Shaykhutdinov, S.I Popkov, M.I. Petrov. Peculiarities of the time evolution of magnetoresistance of granular HTSC in a constant applied magnetic field // Solid State Communications - 2008. - V. 147, pp. 284-287.

5. Балаев Д.А., Гохфельд Д M., Дубровский A.A., Попков С.И, Шайхутдинов К.А., Петров МИ. Исследование гистерезиса магнитосопротивления гранулярных ВТСП, Сборник трудов второй международной конференции «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» ФПС 06', Москва, Звенигород 9-13 октября 2006 г., с. 223-224.

6 Балаев Д А., Дубровский A.A., Попков С.И., Шайхутдинов К.А., Петров М.И. Исследование релаксации остаточного электросопротивления гранулярных ВТСП после воздействия магнитного поля па примере композитов Y-Ba-Cu-0 + CuO, Сборник трудов второй международной конференции «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» ФПС 06', Москва, Звенигород 9-13 октября 2006 г., с. 245-246.

7. Д А. Балаев, A.A. Дубровский, К А. Шайхутдинов, С.И. Попков, Д.М. Гохфельд, Ю.С. Гохфельд, M И. Петров. Гистерезис магнитосопротивления гранулярных ВТСП. Механизм и универсальность полевой ширины гистерезиса. // Сборник трудов третьей международной конференции «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» ФПС 08', Москва, Звенигород 13-17 октября 2008 г., с. 104-105.

8. Д А. Балаев, A.A. Дубровский, К.А. Шайхутдинов, С.И. Попков, М.И. Петров. Особенности временной эволюции магнитосопротивления гранулярных ВТСП в постоянном магнитном поле. // Сборник трудов третьей международной конференции «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» ФПС 08', Москва, Звенигород 13-17 октября 2008 г., с. 117-118.

Цитированная литература

1. Балаев Д.А., Петров М.И, Шайхутдинов К.А, Попков С.И, Гохфельд Д.М, Овчинников С.Г. Способ получения композитных материалов на основе высокотемпературных сверхпроводников, Патент РФ, RU 2228311, С2

2. L. Ji, M.S. Rzchowski, N Anand, and M TinWiam. Magnetic-field-dependent surface resistance and two-level critical-state model for granular superconductors // Phys. Rev. B. -1993.-V. 47, pp. 470.

3. J.E. Evetts, B.A Glowacki Relation of critical current irreversibility to trapped flux and microstructure in polycrystalline YBa2Cu307 // Cryogenics. - 1988. - V. 28, pp. 64).

4. А. Бароне, Дж. Патерно. Эффект Джозефсона - М : Мир. - 1984. - 639 с.

5 Y.M. Kim, C.F. Hempstead, and A.M. Strnad Flux Creep in Hard Superconductors // Phys. Rev. - 1963. - V. 131., № 6, pp 2486

6 L F. Cohen, H.J Jensen. Open questions in the magnetic behaviour of high-temperature superconductors // Rep. Prog. Phys - 1997. - V. 60, pp. 1581.

7. Кузьмичев H Д. Критическое состояние среды Джозефсона И Письма в ЖЭТФ. -2001.-Т. 74.-№5 - С. 291-295.

8. P. Mune, F.C. Fonesca, R Muccillo, R.F. Jardim Magnetic hysteresis of the magnetoresistance and the critical current density in polycrystalline YBa2Cu307-6-Ag superconductors // Phycica C. - 2003. - V.390, pp. 363.

9. Э.Б. Соншг. Теория джозефсоновской среды в ВТСП: вихри и критические магнитные поля // Письма в ЖЭТФ. - 1988. - Т. 47, С. 415.

Подписано в печать 18.11.2008. Заказ № 35 Формат 60x90/16 Уч.-изд. л. 1.0.0 Тираж 70 экз. Типография Института физики им.Л В. Киренского СО РАН

ВВЕДЕНИЕ.

I. ПРОБЛЕМАТИКА ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Сущность проблематики предметной области.

1.2. Композиты на основе ВТСП как «модельные гранулярные ВТСП»

1.3. Резистивные свойства гранулярных ВТСП в магнитном поле.

1.4. Гистерезисные явления и релаксационные процессы в гранулярных ВТСП.

1.5. Постановка задачи.

II. ПРИГОТОВЛЕНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ СВОЙСТВ ГРАНУЛЯРНЫХ ВТСП.

2.1. Введение.

2.2. Приготовление и состав ВТСП и композитов.

2.3. Методики измерения критического тока, элетросопротивления, временной релаксации электросопротивления сверхпроводящих образцов.

2.4. Измерение магнитных свойств сверхпроводящих образцов.

Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ГИСТЕРЕЗИСНОГО ПОВЕДЕНИЯ ГРАНУЛЯРНЫХ ВТСП НА ПРИМЕРЕ КОМПОЗИТОВ У-Вл-Си-О + СиО

3.1. Введение.

3.2. Композиты как сеть джозефсоновских переходов.

3.3. Взаимосвязь гистерезиса критического тока и магнитосопротивления.

3.4. Модель для гранулярных ВТСП.

3.5. Эффективное поле в джозефсоновской среде и гистерезис 1с(Н) и Я(Н)

3.6. Влияние транспортного тока на гистерезисные зависимости ЩН).

3.7. Магнитная предыстория и частные петли гистерезиса К(Н).

3.8. Выводы.

IV. МЕХАНИЗМ РЕЛАКСАЦИИ ОСТАТОЧНОГО ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ ГРАНУЛЯРНЫХ ВТСП ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРИМЕРЕ КОМПОЗИТОВ У-Вл-Си-О + СиО.

4.1. Введение.

4.2. Экспериментальное исследование процессов релаксации остаточного электросопротивления в гранулярных композитах на основе ВТСП.

4.3. Влияние релаксации намагниченности сверхпроводящих гранул на временную эволюцию магнитосопротивления гранулярного ВТСП в постоянном внешнем магнитном поле.

4.4. Выводы.

V. МЕХАНИЗМ ГИСТЕРЕЗИСНОГО ПОВЕДЕНИЯ МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЯ ГРАНУЛЯРНЫХ ВТСП. УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ ПОЛЕВОЙ ШИРИНЫ ГИСТЕРЕЗИСА МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЯ.

5.1. Введение.

5.2. Сверхпроводящий переход гранулярных ВТСП во внешнем поле, как характеристика естественных джозефсоновских переходов.

5.3. Гистерезисные зависимости Я(Н) и полевая ширина гистерезиса магнитосопротивления.

5.4. релаксация остаточного электросопротивления с течением времени

5.5. Исследование временной эволюции электросопротивления и намагниченности в постоянном приложенном магнитном поле поликристаллического У-ВА-Си-О.

5.6. Выводы.

Актуальность

В литературе известны такие явления в гранулярных высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), как гистерезис магнитосопротивления и критического тока от магнитного поля и временная релаксация сопротивления после воздействия магнитного поля. Обычно авторы для объяснения этих явлений используют понятие «захваченный образцом поток» ввиду схожести данных явлений с широко известным гистерезисом намагниченности и релаксации намагниченности. Действительно, возможные механизмы, приводящие к этим явлениям, это - либо влияние захваченного в межгранульных границах магнитного потока (пиннингование джозефсоновских вихрей), либо влияние потока, захваченного гранулами ВТСП, на межгранульную среду, либо суперпозиция указанных механизмов. Однако до последнего времени не было предложено четких экспериментальных критериев, указывающих на доминирование того или иного механизма, приводящего к гистерезисным явлениям транспортных свойств в гранулярных ВТСП материалах. Поэтому определение данного критерия и установление механизма, ответственного за гистерезис и релаксацию магнитосопротивления в гранулярных ВТСП является актуальной физической задачей, имеющей и фундаментальное значение.

Поликристаллические ВТСП, получаемые стандартной методикой твердофазного синтеза, можно упрощенно рассматривать как двухуровневую систему, состоящую из двух подсистем: ВТСП гранул и межгранульных границ. Перенос сверхпроводящего тока, а также резистивное состояние гранулярного ВТСП определяются джозефсоновскими слабыми связями на межгранульных границах. Магнитные свойства в квазистатических сильных магнитных полях определяются ВТСП гранулами.

Помимо «чистых» поликристаллических ВТСП, гальваномагнитные явления можно исследовать и в композитах на основе ВТСП. Многочисленные исследования транспортных и магнитных свойств двухфазных композитов на основе ВТСП показали, что такие объекты можно рассматривать как «модельные» гранулярные ВТСП. Джозефсоновские связи в композитных ВТСП дополнительно ослаблены по сравнению с «чистыми» ВТСП, тогда как свойства ВТСП гранул остаются неизменными. Композитные ВТСП являются более удобным объектом для исследования, поскольку обладают достаточно

О О низкими значениями критического тока (10" ч-10 А/см) при температуре жидкого гелия. Это позволяет проводить измерения магнитосопротивления в широком интервале температур, используя относительно низкие значения аппаратурного транспортного тока (1-г-Ю мА).

Цель данной работы — экспериментальное изучение механизма, определяющего гистерезис магнитосопротивления и временную эволюцию электросопротивления в постоянном магнитном поле в различных гранулярных ВТСП (иттриевая, висмутовая, лантановая керамики и композиты на основе иттриевой керамики).

Научная новизна

1. Впервые продемонстрирована взаимосвязь гистерезиса критического тока 1с(Н) и появление таких характерных особенностей гистерезисной зависимости магнитосопротивления 11(Н), как остаточное сопротивление, участок с нулевым сопротивлением или минимум на ветви обратного хода зависимости ЩН) в гранулярных ВТСП и показано, что гистерезисные явления транспортных свойств гранулярных ВТСП обусловлены только влиянием магнитных моментов сверхпроводящих гранул на межгранульную среду, а пиннинг вихрей в джозефсоновской среде несущественен.

2. Впервые показано, что эффект релаксации остаточного сопротивления гранулярного ВТСП после воздействия магнитного поля вызван только релаксацией магнитного потока в ВТСП гранулах, а транспортный ток регулирует "чувствительность" отклика электросопротивления и остаточного сопротивления на величину магнитной индукции в межгранульной среде.

3. Впервые обнаружена смена характера временной эволюции электросопротивления гранулярного ВТСП (как композитов, так и «чистых» ВТСП Y3/4Lui/4Ba2Cu307.g ) в постоянном внешнем магнитном поле. При возрастании, а затем остановке внешнего поля магнитосопротивление релаксирует (уменьшается с течением времени). При уменьшении, а затем остановке поля сопротивление возрастает, а в области полей, меньших точки минимума обратного хода зависимости R(H), магнитосопротивление снова релаксирует с течением времени.

4. Впервые показано, что полевая ширина гистерезиса магнитосопротивления гранулярных ВТСП является универсальным, независящим от транспортного тока параметром, характеризующим внутригранульный пиннинг и сжатие магнитного потока в межгранульной среде. Это указывает на то, что доминирующим механизмом, определяющим гистерезис R(H), является захват магнитного потока в ВТСП гранулах и влияние магнитных моментов ВТСП-гранул на поле в межгранульной среде.

Публикации

По данным диссертационной работы опубликовано четыре статьи в центральной научной печати.

1. D.A. Balaev, A.A. Dubrovskiy, К.A. Shaykhutdinov, S.I. Popkov, M.I. Petrov.

Time relaxation of residual resistance of HTSC-based composites // Physica C. -2007.-V. 460-462, pp. 1309-1310

2. Д.А. Балаев, Д.М. Гохфельд, A.A. Дубровский, С.И. Попков, К.А.

Шайхутдинов, М.И. Петров. Гистерезис магнитосопротивления гранулярных ВТСП как проявление магнитного потока, захваченного сверхпроводящими гранулами, на примере композитов YBCO + СиО // ЖЭТФ. -2007. - Т. 132, № 6, С. 1340-1351.

3. Д.А. Балаев, А.А. Дубровский, С.И. Попков, К.А. Шайхутдинов, М.И. Петров. Механизм релаксации остаточного электросопротивления гранулярных ВТСП после воздействия магнитного поля на примере композитов Y-B-C-O+CuO // ФТТ. - 2008. - Т. 50, № 6, С. 972-979.

4. D.A. Balaev, А.А. Dubrovskiy, К.А. Shaykhutdinov, S.I. Popkov, M.I. Petrov. Peculiarities of the time evolution of magnetoresistance of granular HTSC in a constant applied magnetic field // Solid State Communications. - 2008. — V. 147, pp. 284-287.

Апробация

Результаты, полученные в работе, докладывались на следующих конференциях:

1. D. Balaev, A. Dubrovskiy, К. Shaykhutdinov, S. Popkov, М. Petrov. Time th

Relaxation of Residual Resistance of HTSC-based Composites.// 8 International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors Dresden, Germany July 9-14 2006.

2. Балаев Д.А., Гохфельд Д.М., Дубровский A.A., Попков С.И., Шайхутдинов К.А., Петров М.И., Исследование гистерезиса магнитосопротивления гранулярных ВТСП, Вторая международная конференция Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС 06', Москва, Звенигород 9-13 октября 2006 г.

3. Балаев Д.А., Дубровский А.А., Попков С.И., Шайхутдинов К.А., Петров М.И., Исследование релаксации остаточного электросопротивления гранулярных ВТСП после воздействия магнитного поля на примере композитов Y-Ba-Cu-O + CuO, Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС 06', Москва, Звенигород 913 октября 2006 г.

4. D.A. Balaev, A.A. Dubrovskiy, S.I. Popkov, K.A. Shaykhutdinov , M.I. Petrov The effect of magnetisation relaxation of superconducting grains on time relaxation of the resistance of granular HTSC in constant applied magnetic field, 25-th Conference on low temperature physics, Amsterdam, 6-13 August 2008.

Практическая ценность Целенаправленно экспериментально исследованы гистерезисные зависимости магнитосопротивления гранулярных ВТСП систем (Уз/4Ьи1/4Ва2Сиз07.5> Bii.8Pbo.3Sri.9Ca2Cu3Ox, Lai.gsSro.isCuC^ и композиты Y3/4Lui/4Ba2Cu307.5+ CuO) и временная эволюция электросопротивления таких систем в постоянном внешнем магнитном поле. На основании полученных результатов была развита модель гранулярного ВТСП, подтверждающая, что гистерезисные зависимости транспортных свойств и временная эволюция электросопротивления в гранулярных ВТСП определяются влиянием потока, захваченного в ВТСП гранулах.

Структура диссертации

В первом разделе проведен обзор экспериментальных работ, посвященных исследованию различных свойств ВТСП на примере композитов и «чистых» гранулярных ВТСП; приведены работы, в которых изучаются гистерезисные явления и релаксационные процессы в поликристаллических ВТСП-материалах. В конце литературного обзора дана постановка задачи.

Во второй главе приведены методики синтеза ВТСП-поликристаллов классических соединений (УзмЬищВагСизОу-з, Bii.8Pbo.3Sri.9Ca2Cu3Ox и Lai.85Sr0.i5CuO4) и композитных образцов на основе ВТСП (Y3/4Lui/4Ba2Cu307.5 + CuO), а так же результаты рентгеноструктурного анализа полученных ингредиентов и композитов. Далее в разделе описаны экспериментальные методики измерения транспортных характеристик поликристаллических композитных ВТСП при различных температурах, основанные на стандартном

4-х зондовом методе. Также описан метод измерения намагниченности на установке «вибрационный магнетометр со сверхпроводящим соленоидом.

В третьем разделе приведены исследования гистерезисных зависимостей магнитосопротивления Я(Н) и критического тока 1с(Н) композитов из ВТСП Уз/41л11/4Ва2Сиз07.5 и СиО. Экспериментально продемонстрирована взаимосвязь между гистерезисом критического тока 1с(Н) и эволюцией гистерезисной зависимости магнитосопротивления 11(Н) при изменении транспортного тока. Исследовано влияние магнитной предыстории на гистерезисное поведение ЩН) и появление участка с отрицательным магнитосопротивлением. Гистерезисные зависимости магнитосопротивления 11(Н) исследованы в широком диапазоне плотностей транспортного тока ] (как больше критической плотности тока при Н = 0, так и меньше её). Впервые показано, что зависимости К(Н) характеризуются независящим от транспортного тока параметром - шириной петли гистерезиса К(Н).

В четвертом разделе приведено исследование временной релаксации остаточного сопротивления 11гет после воздействия магнитного поля гранулярных композитов на основе ВТСП (У-Ва-Си-О) и СиО. На основании сопоставления зависимостей ЯгетО и К(Н) экспериментально продемонстрировано, что релаксация остаточного сопротивления вызвана уменьшением магнитной индукции в межгранульной среде, вследствие релаксации намагниченности. Выявлена причина известных в литературе различий величин потенциала пиннинга, определённых из резистивных и магнитных измерений релаксации по зависимости андерсоновского типа. Также была исследована временная эволюция магнитосопротивления композитов У-Ва-СиО + СиО в постоянном магнитном поле. Впервые обнаружено, что при возрастании, а затем остановке внешнего магнитного поля электросопротивление уменьшается, а при убывании/остановке поля увеличивается со временем.

В пятом разделе приводятся результаты исследования гистерезисного поведения магнитосопротивления 11(Н) гранулярных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) классических систем Уз^Ьи^ВагСизО;^ В11.8РЬ0,з8г1.9Са2СизОх и Ьа1.858го.15Си04 (У-Ва-Си-О, ВьСа-Бг-Си-О, и Ьа-Бг-Си-О) при различных плотностях транспортного тока, как меньше критической (при Н = 0), так и больше. Обнаружено, что эффекты, наблюдаемые в композитах на основе ВТСП, присутствуют и в «чистых» гранулярных ВТСП. Это доказывает то, что данные эффекты не являются особенностью ВТСП -композитов, а присущи, по крайней мере, основным классическим гранулярным ВТСП системам.

В заключении сформулированы основные выводы данной работы.

Таким образом, работа состоит из пяти основных разделов, а так же введения и заключения. Содержит 32 рисунка, 85 библиографических ссылок и занимает объем 110 страниц печатного текста.

На защиту выносятся

1. Результаты измерения гистерезисных зависимостей магнитосопротивления композита Уз/ДллщВагСизО?^ СиО. Анализ полученных результатов в рамках модели гранулярного ВТСП.

2. Результаты измерений релаксации остаточного сопротивления в композитах У3/4Ьи1/4Ва2Сиз07.5+СиО после воздействия магнитного поля.

3. Результаты измерений временной эволюции сопротивления композитов Уз^ищВазСизОт-б+ СиО в постоянном приложенном магнитном поле.

4. Результаты измерений гистерезисных зависимостей магнитосопротивления и временной эволюции электросопротивления в «чистых» гранулярных ВТСП классических систем (У-Ва-Си-О, ВьСа-Бг-Си-О, и Ьа-Бг-Си-О).

I. Проблематика области исследований

5.6. Выводы

Из анализа экспериментальных данных по магнитосопротивлению ЩН), релаксации остаточного электросопротивления КгетОО после воздействия магнитного поля и релаксации электросопротивления и намагниченности в постоянном приложенном магнитном поле, полученных в настоящей работе на гранулярных ВТСП классических составов, можно заключить, что доминирующими механизмами, определяющим гистерезис Ы(Н) и поведение КгетО), являются процессы захвата магнитного потока в гранулах и влияние магнитных моментов гранул на поле в межгранульной среде. Пиннинг джозефсоновских вихрей не оказывает существенного влияния на гистерезисное поведение ЩН) и эволюцию Кгет(Х)> а диссипация в гранулярном ВТСП определяется процессами течения джозефсоновских вихрей в межгранульной среде. Видимо, влияние пиннинга джозефсоновких вихрей проявляется в случае, когда транспортный ток настолько мал, что само сопротивление образца во внешнем поле близко к аппаратурному нулю, либо когда через образец не течёт макроскопический транспортный ток, например в измерениях восприимчивости [18]. Полевая ширина гистерезиса гранулярных ВТСП является универсальным, независящим от транспортного тока параметром, характеризующим внутригранульный пиннинг и сжатие магнитного потока в межгранульной среде.

Заключение

Сформулируем основные выводы данной диссертационной работы.

1. Исследованы гистерезисные зависимости критического тока и магнитосопротивления композитов на основе ВТСП (Уз/ДлдщВагСизОу-з + СиО) при различных величинах транспортного тока. Продемонстрирована взаимосвязь гистерезиса критического тока 1с(Н) и появление таких характерных особенностей гистерезисной зависимости магнитосопротивления ЩН), как остаточное сопротивление, участок с нулевым сопротивлением или минимум на ветви обратного хода зависимости ЩН). Полученные результаты интерпретированы в рамках модели для гранулярного ВТСП. Для определения доминирующего механизма, ответственного за указанные явления, впервые предложено использовать следующий параметр — полевую ширину гистерезиса магнитосопротивления. Показано, что этот параметр не зависит от транспортного тока. Это свидетельствует о том, что гистерезисные явления транспортных свойств, обусловлены только влиянием магнитных моментов сверхпроводящих гранул на межгранульную среду, а пиннинг вихрей в джозефсоновской среде несущественен.

2. Измерения релаксации остаточного электросопротивления композитов на основе ВТСП (Уз/Дд^дВагСизОу-з + СиО) после воздействия магнитного поля, показали, что этот эффект вызван только релаксацией магнитного потока в ВТСП гранулах, а транспортный ток регулирует "чувствительность" отклика электросопротивления и остаточного сопротивления на величину магнитной индукции в межгранульной среде. Поэтому использование выражения, следующего из андерсоновской теории для расчета энергии пиннинга вихрей, некорректно для случая резистивных измерений.

3. Впервые обнаружена смена характера временной эволюции электросопротивления гранулярного ВТСП (как композитов, так и «чистых» ВТСП УздЬищВагСизОт-а) в постоянном внешнем магнитном поле. При возрастании, а затем остановке внешнего поля магнитосопротивление релаксирует (уменьшается с течением времени). При уменьшении, а затем остановке поля сопротивление возрастает, а в области полей, меньших точки минимума обратного хода зависимости ЩН), магнитосопротивление снова релаксирует с течением времени. Обнаруженный эффект объясняется влиянием релаксации намагниченности (по модулю) отдельных сверхпроводящих гранул и, как следствие, временной эволюции эффективного поля в межгранульной среде.

4. Исследованы гистерезисные зависимости магнитосопротивления и эволюции электросопротивления в постоянных магнитных полях (включая Н=0) гранулярных ВТСП классических систем (Уз/4Ьи1/4Ва2Сиз07.5,В11.8РЬо.з8г1.9Са2СизОх и Ьа^БголбСиО^. Показано, что предложенный параметр — полевая ширина гистерезиса магнитосопротивления является универсальным, независящим от транспортного тока параметром, характеризующим внутригранульный пиннинг и сжатие магнитного потока в межгранульной среде. Это указывает на то, что доминирующим механизмом, определяющим гистерезис Я(Н), является захват магнитного потока в ВТСП гранулах и влияние магнитных моментов ВТСП-гранул на поле в межгранульной среде. Пиннинг джозефсоновских вихрей не оказывает существенного влияния на гистерезисное поведение 11(Н), а диссипация определяется процессами течения джозефсоновских вихрей в межгранульной среде. Экспериментальные данные по релаксации сопротивления подтверждают этот вывод.

В заключении автор считает своим приятным долгом поблагодарить своего научного руководителя к.ф.-м.н. Бадаева Дмитрия Александровича за интересную предложенную тему исследования и постоянный интерес к работе, к.ф.-м.н. Петрова М.И. и Гохфельд Ю.С. за предоставленные образцы, к.ф.-м.н. Попкова С.И. за автоматизацию установки, сделавшей возможным ряд измерений, к.ф.-м.н. Шайхутдинова К.А., к.ф.-м.н. Гохфельда Д.М., к.ф.-м.н. Бадаева А.Д., д.ф.-м.н. Валькова В.В. за плодотворные дискуссии.

1. Н. Nojima, S. Tsuchimoto, S. Kataoka. Galvanomagnetic Effect of an Y-Ba-Cu-0 Ceramic Superconductor and Its Application to Magnetic Sensors // Jap. Journ. of Appl. Phys. 1988. -V. 27., № 5, pp. 746-752.

2. Y.J. Quian, Z.M. Tang, K.Y.Chen, B. Zhou, J.W. Qiu, B.C. Miao, and Y.M. Cai. Transport hysteresis of the oxide superconductor YiBa2Cu307x in applied fields // Phys. Rev. B. 1989. - V. 39., № 7, pp. 4701-4703.

3. K.Y. Chen, Y.J. Quian. Critical current and magnetoresistance hysteresis in polycrystalline YBa2Cu307-x // Physica C. 1989. - V. 159, pp. 131-136.

4. G.J. Russel, D.N. Matthews, K.N.R. Taylor, and B. Perczuk. Intergranular Flux Trapping Effects in Yttrium Barium Cuprate Superconductors // Mod. Phys. Lett. B. 1989. - V. 3., № 5, pp. 437-446.

5. M.E. McHenry, PM.P. Maley, and J.O. Willis. Systematics of transport critical-current-density hysteresis in polycrystalline Y-Ba-Cu-0 // Phys. Rev. B. 1989. - V. 40., № 4, pp. 2666-2671.

6. Аронзон Б.А., Рершанов Ю.В., Мейлихов E.3., Шапиро В.Г. Влияние магнитного поля на вольт-амперную характеристику резистивного состояния керамики YBa2Cu306.9 вблизи перехода // СФХТ. 1989. - Т.2., № 10, С. 83-88.

7. Н.В. Афанасьев, Ю.Е. Григорашвили, Ю.А. Чаплыгин. Гистерезис зависимости jc(H) керамики Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O, обусловленный захватом магнитного потока // СФХТ. 1990. - Т. 3., № 10, С. 2343-2347.

8. Ю.С. Каримов, А.Д. Кикин. Критическое магнитное поле гранулированных оксидных сверхпроводников // СФХТ. 1990. - Т. 3., № 4, С. 631-635.

9. КопелевичЯ.В., ЛемановВ.В., Макаров В.В. Влияние слабых связей на электрические характеристики керамики YiBa2Cu306.9 Н ФТТ. 1990. -Т. 32., № 12, С. 3613-3617.

10. D.N. Matthews, G.J. Russel, K.N.R. Taylor. Flux trapping energies in YBCO in the presence of a transport current // Physica C. 1990. - V.171, pp. 301304.

11. E. Altshuler, S. Garcia, J. Barroso. Flux trapping in transport measurements of YBa2Cu307x superconductors A fingerprint of intragrain properties // Physica C. 1991. -V. 177, pp. 61-66.

12. А.И. Пономарёв, K.P. Крылов, M.B. Медведев, H.B. Мушников, И.М. Цидильковский, Т.Б. Чарикова. Термогальваномагнитные эффекты и релаксационные явления в La-Sr-Cu-O // СФХТ. — 1991. Т. 4., № 11, С. 2149-2155.

13. М. Celasco, A. Masoero, P. Mazzetti, A. Stepanescu. Evidence of current-noise hysteresis in superconducting УВагСизС^-з specimens in a magnetic field //Phys. Rev. B. 1991. -V. 44., № 10, pp. 5366-5368.

14. L. Ji, M.S. Rzchowski, N. Anand, and M. Tinkham. Magnetic-field-dependent surface resistance and two-level critical-state model for granular superconductors // Phys. Rev. B. 1993. - V. 47, pp. 470-483.

15. M. Prester, Z. Mahornic. Weak links as a subsystem that monitors the intragranular flux creep in high-Tc superconductors // Phys. Rev. B. — 1993. -V. 47., № 5, pp. 2801-2805.

16. Митин A.B. Влияние термомагнитной предыстории на транспортные свойства гранулярных сверхпроводников УВа2Си3Об+х Н СФХТ. 1994. -Т. 7.,№ 1,С. 62-75.

17. КузьмичевН.Д. Критическое состояние среды Джозефсона // Письма в ЖЭТФ. -2001. Т. 74., № 5, С. 291-295.

18. D. Daghero, P. Mazzetti, A. Stepanescu, P. Tura, A. Masoero. Electrical anisotropy in high-Tc granular superconductors in a magnetic field // Phys. Rev. B. -2002. -V. 66., № 13, pp. 184514-184523.

19. C.A.M. dos Santos, M.S. da Luz, B. Ferreira, A.J.S. Machado. On the transport properties in granular or weakly coupled superconductors // Phycica C. 2003. — V.391, pp. 345-350.

20. P. Mune, F.C. Fonesca, R. Muccillo, R.F. Jardim. Magnetic hysteresis of the magnetoresistance and the critical current density in polycrystalline YBa2Cu307.8-Ag superconductors //Phycica C. 2003. - V. 390, pp. 363-373.

21. V. Gerashchenko. Voltage fluctuations in granular superconductors in the perpendicular configuration // Supercond. Sci. Technol. 2003. - V. 16, pp. 690-694.

22. Felner, E. Galstyan, B. Lorenz, D. Cao, Y.S. Wang, Y.Y. Xue, and C.W. Chu. Magnetoresistance hysteresis and critical current density in granular RuSr2Gd2.xCexCu2O10-5// Phys. Rev B. 2003. - V. 67, pp. 134506-134511.

23. A. Суханов, В. Омельченко. Анизотропия магнитосопротивления при захвате магнитных полей в гранулированных Bi-BTCII // ФНТ. — 2003. — Т. 29., № 4, С. 396-399.

24. А. Суханов, В. Омельченко. Замороженное магнитосопротивление при перемагничивании гранулированных Bi(Pb)-BTCII // ФНТ. — 2004. — Т. 30., № 6, С. 604-609.

25. В.В. Деревянно, Т.В. Сухарева, В.А. Финкель. Процесс проникновения магнитного поля в высокотемпературный сверхпроводник YBa2Cu307.5: магнитосопротивление в слабых магнитных полях // ФТТ. 2004. — Т. 46., № 10, С. 1740-1745.

26. В.В. Деревянко, Т.В. Сухарева, В.А. Финкель. Влияние внешнего магнитного поля и захваченного магнитного потока на вольт-амперные характеристики гранулярного высокотемпературного сверхпроводника УВа2Сиз07-5 // ФТТ. 2006. - Т. 48., № 8, С. 1374-1379.

27. Д.А. Балаев, С.И. Попков, К.А. Шайхутдинов, М.И. Петров. Механизмы диссипации в джозефсоновской среде на основе ВТСП под действием магнитного поля // ФТТ. 2006. - Т. 48., № 5, С. 588-593.

28. L.P. Ichkitidze. Resistive film sensor of a weak magnetic field based on the HTS (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu30x ceramics // Phycica C. 2006. - V.435, pp. 136139.

29. Д.А. Балаев, А.Г. Прус, K.A. Шайхутдинов, М.И. Петров. Угловая зависимость (магнитное поле — ток) магниторезистивного эффекта в композитах Уз/ДлащВагСизО? + СиО при 77 К // Письма в ЖТФ. 2006. -Т. 32., № 15, С. 67-73.

30. Josephson B.D. Possible new effects in superconductive tunneling // Phys. Lett. 1962. - V.I., № 7, pp. 251-253.

31. Josephson B.D. Coupled superconductors // Rev. Mod. Phys. 1964. - V. 36., № 1, pp. 216-220.

32. Josephson B.D. The discovery of tunnelling supercurrents // Rev. Mod. Phys. — 1974. V. 46., № 2, pp. 251-254.

33. A. Бароне, Дж. Патерно. Эффект Джозефсона М.: Мир - 1984 - 639 с.

34. М.И. Петров, Д.А. Балаев, Д.М. Гохфельд. Андреевское отражение и экспериментальные температурные зависимости критического тока гетерогенных ВТСП (поликристаллы и композиты на их основе) // ФТТ. -2007. Т. 49., № 4, С. 589-595.

35. В Andrzejewski, Е Guilmeau and Ch Simon. Modelling of the magnetic behaviour of random granular superconductors by the single junction model // Supercond. Sci. Technol. 2001. - V. 14., №11, pp. 904-909.

36. J.W.C. de Vries, G.M. Stollman, M.A.M. Gijs. Analysis of the critical current density in high-Tc superconducting films // Phycica C. 1989. - V. 157, pp. 406-414.

37. Э.Б. Сонин. Теория джозефсоновской среды в ВТСП: вихри и критические магнитные поля // Письма в ЖЭТФ. 1988. - Т. 47, С. 415418.

38. M.I. Petrov, D.A. Balaev, S.V. Ospishchev, К.A. Shaihutdinov, B.P. Khrustalev, K.S. Aleksandrov. Critical currents in bulk Y3/(4)Lui/(4)Ba2Cu3C>7 + ВаРЬОз composites // Phys. Lett. A. 1997. - V. 237, pp.85-89.

39. Петров М.И., Балаев Д.А., Шайхутдинов К.А., Александров К.С. Влияние транспортного тока и тепловых флуктуаций на резистивные свойства композитов ВТСП + СиО // ФТТ. 1999. - Т. 41., № 6, С. 969-974.

40. M.I. Petrov, D.A. Balaev, K.A. Shaihutdinov and K.S. Aleksandrov. Superconductor-semiconductor-superconductor junction network in bulk polycrystalline composites Y3/4Lui/4Ba2Cu307 + Cui.xLixO // Supercond. Sci. Technol. -2001. -V. 14, pp. 798-805.

41. M.I. Petrov, D.A. Balaev, K.A. Shaihutdinov. The anomalous transport properties of composites HTSC+NiTi03 // Phycica C. 2001. - V. 361, pp. 4552.

42. Балаев Д.А., Гохфельд Д.М., Попков С.И., Шайхутдинов К.А., Петров М.И. Композиты на основе ВТСП, как материалы, обладающие большим магнитосопротивлением в слабых магнитных полях // Письма в Журнал Технической Физики. 2001. - Т. 27., № 22, С. 45-51.

43. Балаев Д.А., Шайхутдинов К.А., Попков С.И., Петров М.И. Управляемый по величине магниторезистивный эффект в композитах Y3/4Lui/4Ba2Cu307 + СиО при 77К // Письма в Журнал Технической Физики. 2003. - Т. 29, № 14, С. 15-23.

44. Балаев Д.А., Петров М.И., Шайхутдинов К.А., Попков С.И., Гохфельд Д.М., Овчинников С.Г. Способ получения композитных материалов на основе высокотемпературных сверхпроводников, Патент РФ, RU 2228311, С2.

45. Y. Zhao, X.B. Zuge, J.M. Xu, L. Cao. Vortex-glass superconductivity in a typical weak-link YBa2Cu307-y/Si02 system // Phys. Rev. B. 1994. - V. 49, № 10, pp. 6985-6990.

46. H.S. Gamchi, G.J. Russel, K.N.R. Taylor. Resistive transition for YBa2Cu307-5 Y2BaCu05 composites: Influence of a magnetic field // Phys. Rev. B. - 1994. -V. 50, pp. 12950-12958.

47. DubsonM.A., Herbet S.T, Calabrese J .J., Harris D.C., Patton B.R., Garland J.C. Non-Ohmic dissipative regime in the superconducting transition of polycrystalline YiBa2Cu3Ox // Phys. Rev. Lett. 1988. - V. 60, № 11, pp. 1061-1064.

48. Wright A.C., Zhang K., ErbilA. Dissipation mechanism in high-Tc granular superconductor: applicability of a phase-slip model // Phys. Rev. B. 1991. -V. 44, № 2, pp. 863-866.

49. T.T.M. Palstra, B. Batlogg, R.B. van Dover, L.F. Schneemeyer, and J.V. Waszczak. Dissipative flux motion in high-temperature superconductors // Phys. Rev. B. 1990. -V. 41, № 10, pp. 6621-6632.

50. V. Ambegaokar, B.I. Halperin. Voltage due to thermal noise in the dc Josephson effect // P.R.L. 1969. -V. 22, № 25, pp. 1364-1366.

51. Wright A.C., Xia T.K., Erbil A. Phase-slip mechanism for dissipation in high-Tc superconductors // Phys. Rev. B. 1992. - V. 45, № 10, pp. 5607-5612.

52. C. Gaffney, H. Petersen, R. Bednar. Phase-slip analysis of the non-Ohmic transition in granular YBa2Cu306.9. // Phys. Rev. B. 1993. - V. 48, № 5, pp. 3388-3392.

53. H. Shakeripour and M. Akhavan. Thermally activated phase-slip in high-temperature cuprates // Supercond. Sci. Technol. 2001. - V. 14, pp. 234-239.

54. P.W. Anderson. Theory of Flux Creep in Hard Superconductors // Phys. Rev. Lett. 1962. - V. 9, pp. 309-311.

55. Y. Yeshurn, A.P. Malozemoff, A. Shaulov. Magnetic relaxation in high-temperature superconductors // Rev. Mod. Phys. 1993. - V. 68, pp. 911-949.

56. Н.Д. Кузьмичёв. Проникновение магнитного поля в систему слабых связей гранулярного сверхпроводника YBa2Cu307.x // ФТТ. 2001. - Т. 43, № 11, С. 1934-1938.

57. D.Lopez, F. de la Cruz, P. Stastny, N. Leyarovska, and F.C. Matacotta. Magnetoresistance as a local magnetometer: Lower critical field of ceramic superconductors // Phys. Rev. B. 1992. - V. 46, № 17, pp. 11160-11162.

58. А.Д. Балаев, Ю.В. Бояршинов, M.M. Карпенко, Б.П. Хрусталев. Автоматизированный магнетометр со сверхпроводящим соленоидом // ПТЭ 1985 - т. 3 - стр. 167-168 (полный текст: ВИНИТИ, N69-85, деп., 32с).

59. М. MaheP, J. Pivarc. Magnetic hysteresis in high-temperature cuprates // Phycica C. 1998. -V. 308, pp. 147-160.

60. Y.M. Kim, C.F. Hempstead, and A.M. Strnad. Flux Creep in Hard Superconductors // Phys. Rev. 1963. - V. 131, № 6, pp. 2486-2495.

61. L.F. Cohen, H.J. Jensen. Open questions in the magnetic behaviour of high-temperature superconductors // Rep. Prog. Phys. 1997. - V. 60, pp. 15811672.

62. G. Blatter, M.V. Feigel'man, V.B. Gekshkebein, A.I. Larkin, V.M. Vinokur. Vortices in high-temperature superconductors // Rev. Mod. Phys. 1994. - V. 66, №4, pp. 1125-1388

63. D.A. Balaev, A.A. Dubrovskiy, K.A. Shaykhutdinov, S.I. Popkov, M.I. Petrov. Time relaxation of residual resistance of HTSC-based composites // Physica C. -2007. -V. 460-462, pp. 1309-1310

64. Д.А. Балаев, A.A. Дубровский, С.И. Попков, K.A. Шайхутдинов, М.И. Петров. Механизм релаксации остаточного электросопротивления гранулярных ВТСП после воздействия магнитного поля на примере композитов Y-B-C-O+CuO // ФТТ. 2008. - Т. 50, № 6, С. 972-979.

65. D.A. Balaev, A.A. Dubrovskiy, K.A. Shaykhutdinov, S.I. Popkov, M.I. Petrov. Peculiarities of the time evolution of magnetoresistance of granular HTSC in a constant applied magnetic field // Solid State Communications. — 2008. V. 147, pp. 284-287.

66. D. Shi, S. Salem-Sugui. Magnetic relaxation in YBa2Cu3Ox // Phys. Rev. B. -1991. V. 44, pp. 7647-7653.

67. C.P. Bean, and J.D. Livingston. Surface barrier in type-II superconductors // Phys. Rev. Lett. 1964. -V. 12, № l, pp. 14-16.

68. D. Lopez, F. de la Cruz. Anisotropic energy dissipation in high-Tc ceramic superconductors: Local-field effects // Phys. Rev. B. 1991. - V. 43, № 13, pp. 11478-11480.

69. M. Ionesku, B. Winton, T. Silver, S.X. Dou, R. Ramer. Cryogenic magnetic field sensor based on the magnetoresistive effect in bulk Bi2212 + US^CaC^// Appl. Phys. Lett. 2004. - V. 84, № 26, pp. 5335-5337.

70. A. Kilic, K. Kilic, S. Senoussi, K. Demir. Influence of an external magnetic field on the current-voltage characteristics and transport critical current density // Physica C. 1998. - V. 294, pp. 203-216.

71. M.N. Kunchur, T.R. Askew. Hysteretic internal fields and critical currents in polycrystalline superconductors // Journ. Appl. Phys. — 1998. V. 84, № 12, pp. 6763-6767.

72. H.S. Lessure, S. Simizu, and S.G. Sankar. Magnetic relaxation and critical current density limited by flux creep in Bii.6Pbo.4Sri.6Ca2Cu2.8Ox (Tc—115 K) and YBa2Cu307-x (Tc=92 K) // Phys. Rev.B. 1989. - V. 40, № 7, pp. 51655168.