Использование СКВИД-магнитометрии для изучения магнитных свойств системы джозефсоновских переходов в ВТСП и фотомагнитного эффекта в FeBO3 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

, од

лвг »

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ИМ.Л.В.КИРЕНСКОГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СКВИД-МАГНИТОМЕТРИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ СИСТЕМЫ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ПЕРЕХОДОВ В ЕТСП И ФОТОМАГНИТНОГО ЭФФЕКТА В РеВ03

Специальность 01.04.11 - Физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи УДК 535.218, 537.312.62

ВЕЛИКАНОВ Дмитрий Анатольевич

Красноярск 1994

Работа выполнена в лаборатории резонансных свойсч магнитоупорядоченных веществ Института физики им.Л.В.Кирен ского Сибирского отделения РАН

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Петраковский Г.А.,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Патрин Г.С

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Лундин А.Г.,

кандидат физико-математических наук старший научный сотрудник Петров MJ

Ведущая организация: Сибирский физико-технический

институт (г.Томск).

Защита состоится " ОКТЯ^рУ 1994г. в " Ю часов на заседании специализированного совета Д 002.67.02 защитам диссертаций при Институте физики имЛЛЗ.Киренскс СО РАН.

Адрес: 660036, гКрасноярск, Академгородок, Институт физики.

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

Автореферат разослан _ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор физико-математических наук

а Вальков В.В.

ОСЧПЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РйПОТЫ

Ритуальность работ». Успехи, достигнутые в области сверхпроводимости. открыли перед исследователями новые перспективы в плане разработки сверхчувствительной аппаратуры для магнитных измерений в различных областях науки и техники. 9 таких устройствах используются особенности контактов слабосвязанных сверхпроводников, что позволяет создавать уникальнуи по своии параметрам измерительную технику. Одним из перспективных методов магнитных измерений является метод СКВИД-магнитометрии, в основе которого лежат эффекты слабой сверхпроводимости в сверхпроводящих квантовых интерференционных устройствах ЕСКВИЛах). 3 последнее время СКВИД-ыагнитометры находят применение в таких областях как физический эксперимент, биомаг-1етиза, низкотемпературная термометрия, геофизика.

Применение метода СМШД-нагнитокетрии к задачам физики твердого тела представляется крайне интересным, поскольку от-фывавтея новые возмоиног.ти получить информацив об электрон-юй структуре твердого тела и изучить механизмы, ответственные 1а формирование свойств вещества при различных внешних воз-1ействиях. Таким воздействием мояет быть электромагнитное изучение либо статические поля.

Б настоящей работе речь пойдет об изучении фотомагнитного ФФекта в кристаллах бората аелеза при гелиевых температурах явления макроскопической квантовой интерференции в внеоко-емпературных сверхпроводниках (ВТСП). Интерес к этим систе-ам вызван, с одной стороны, их возмоаним практическим приме-ением в устройствах функциональной электроники и, с другой торони, изучением Фундаментальных вопросов физики твердого ела.

При проведении фотомогнитных исследований на СКВИД-мапш-эметре появляется возможность непосредственно измерить инду-(рованные оптическим излучением изменения магнитного момента, затем связать измеряемые характеристики с микроскопическими ф.(метрами вещества. В данном случае реиагащее значение имеет и факт, что чувствительность СКВИД-нетода не зависит от >овня сигнала, на фоне которого проводятся измерения. Это »зволяет надежно регистрировать малые изменения намагничен-

ности на фоне больиой статической величины.

Другим важный применением СКВИД-метода является изучение эффектов, лежащих в основе собственно квантовой магнитометрии. Открытие в 1986 году высокотемпературной сверхпроводимости дало новый импульс исследованиям в этом направлении. В настоящее время керамические ВТСП-соединения можно рассматривать состоящими кз сверхпроводящих областей, соединенных слабыми связями (переходами Джозефсона). Изучение эффекта макроскопической квантовой интерференции в таких соединениях важно как в плане изучения основного состояния ансамбля неупорядоченных джозеф-соновских переходов, так и при разработке ВТСП-интерферомет-ров, надежно работающих при температуре жидкого азота.

Именно изучению обозначенных вопросов и посвящена данная диссертация.

Цель работы. Целью настоящей работы явилось создание экспериментальной базы, позволявшей проводить научные исследования больвого круга материалов в вироком диапазоне различных условий, и применение СКВИД-ыетода к изучению проблем фотоин-дуцированного магнетизма и физики сверхпроводимости.

Научная новизна. Впервые на СКВИД-магнитометре с оптической накачкой проведено экспериментальное исследование фотоин-дуцированного изменения магнитного момента кристаллов РеВ03 при низких температурах. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование изменения магнитного состояния кристаллов РеВ03 при оптической накачке. Объяснен факт спин-переори-ентационного перехода. Одновременно и независимо от других научно-исследовательских групп в Т1-содержащих керамиках обнаружено явление макроскопической квантовой интерференции.^ Проведено исследование параметров, определяющих условия квантовой интерференции в различных ВТСП-керамиках (типа Ус 123). В1- и П-содеркацих). Исследованы перспективы использования этих керамик для устройств СНВИД-ыагнитоыетрии.

Практическая ценность. Результаты исследований позволяет глубже понять механизмы формирования и изменения магнитных свойств кристаллов, находящихся в условиях оптического облучения. Этот вопрос является важным при создании электронных устройств, содержащих магнитные элементы, управляемые воздействием оптического излучения. Изучение ВТСП позволяет понять меха-

низмы образования сверхпроводящих контуров, ответственных за проявления эффекта макроскопической квантовой интерференции. Исследование квантовой интерференции в ВТСП-интерфероыетрах различных конструкций позволяет сделать рекоиендации по их практическому применению в магнитометрических устройствах. Рекомендации и выводы, сделанные в работе, могут быть использованы при планировании и проведении новых экспериментов, а такие - при разработке устройств, основанных на использовании изученных эффектов.

Защищаемые положения:

- сконструированная и созданная СКВИД-установка, позволявшая проводить как сверхчувствительные магнитные измерения, в той числе в поле оптического излучения, так и изучение эффектов, леяащих в основе собственно квантов.-й магнитометрии;

- результаты экспериментального и теоретического исследования обратимых фотоиндуцированных изменений магнитного состояния в кристаллах бората хелеза, обусловленного перераспределением заселенностей энергетических уровней фотоцентра - иона Ре2+ в результате оптического облучения;

- объяснение анизотропных свойств и факта спин-переориента-ционного перехода в базисной плоскости кристаллов бората веле-за при низких температурах;

- экспериментальные результаты изучения эффекта макроскопической квантовой интерференции в ВТСП-керамиках системы Т1-Са-Ва-Си0;

- использование ВТСП-интерферонетров различных конструкций, изготовленных из керамик разных составов, в качестве чувствительных элементов магнитометров, работающих при температуре яидкого азота.

Апробация. Материалы диссертации были представлены на

- 3-ен Всесоюзном симпозиуме "Неоднородные электронные состояния" (Новосибирск, 1989 г.);

- семинаре "Сверхпроводники с высокими температурами сверхпроводящего перехода" (Донецк, 1989 г.);

- 4-оы семинаре по функциональной ыагнитозлектронике (Красноярск. 1990 г.);

- 26-ом Всесоюзном совещании по физике низких температур (Донецк, 1990 г.);

- 23-ей Всесоюзной зимней вколе-симпозиуме физиков-теоретиков (Свердловск, 19Э0 г.);

- 19-ой Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Ташкент, 1991 г.);

- 29-он Совещании по физике низких температур (Казань, 1992 г.);

- Ыевдународной конференции по магнитозлектронике (Красноярск, 1992 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, отраваюцих основное содервание исследований.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изловена на 131 страницах машинописного текста, включая 30 рисунков и одну таблицу. Библиографический список содервит 120 наименований.

СОДЕРКАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований. Приведены основные половения, выносимые на защиту, отражены их научная новизна к практическое значение.

Первая глава является обзорной. В ней дана обцая характеристика метода СКВИД-магнитометрии, рассмотрены области применения сверхпроводящих квантовых интерферометров. Отмечается, что применение СКВИД-техники дает возможность получать цекнув информацию о магнитном состоянии в различного рода систекак. Метод СКВИД-магнитометрии оказался весьма успешный и плодотворным.при изучении вопросов, связанных с биомагнитныии исследованиями, геофизикой, задачами физики твердого тела, а такие построением различных приборов на основе СКВИДов.

В области физического эксперимента подавляющее больиинство работ с использованием СКВИД-нагнитометров посвящено исследованиям температурных зависимостей намагниченности. И хотя гораздо более интересные результаты получаются, когда измерения проводятся при наличии вневних вознуцакщих воздействий (например, при СВЧ- или оптическом облучении исследуемого объекта).

подобные исследования вследствие аппаратурных слоаностей пока не получили вирокого распространения.

Приведены многочисленна конкретные примеры использования СКВИД-магнитометров с указание« конструктивных особенностей и параметров установок. Подробно описаны фотомагнитные исследования с помощью СКВИДов.

Во второй главе дано описание созданной автором экспериментальной СКВИД-техники. Излояены физические основы квантовой магнитометрии, детально рассмотрены устройство и принципы действия двух типов СКВИДов: постоянного тока (ПТ) и высокочастотного (ВЧ). Приведены конструкция, функциональные схемы и параметры магнитометров.

Для проведения высокочувствительных фотоиагнитных измерений был разработан ПТ СКВИД-магнито».етр с оптической накачкой. В нен в качестве детектора магнитного потока применен отечественный ПТ СКВИД в интегральной исполнении, Обцая эксперииен-тальная схема установки представлена на рис.1.

Оптический тракт иагнитометра ииеет следующие особенности. Источником излучения слуяит гелий-неоновый лазер ЛГ-52-1 (Д = 0,63 икы). Для подвода излучения к образцу 1 использован волоконно-оптический световод 2. Пучок лазерного излучения фокусируется для ввода, в световод при помощи линзы 3. Поляризатор 4 позволяет регулировать интенсивность подводимого к образцу света. Механическая заслонка 5 слуаит для иодуляции светового потока.

Криогенная часть магнитометра состоит из азотного и гелие-зого сосудов Дьпара, системы откачных и газовых коммуникаций и <риогенной вставки. Поле измерения создается сверхпроводящим :оленоидом 8. работасщим в короткозамкнутои ревиме, за счот «его достигается стабилизация поля во времени вследствие кван-•ования магнитного потока внутри контура соленоида. Для запит-;и сверхпроводящего соленоида бил разработан источник тока с 1ифровой индикацией, причем калибровка источника била проведе-[а таким образом, чтобы показания индикатора отраиали значение !агнитного поля в эрстедах. Сигнал от образца к СКВИДу переда-тся с помощьи короткозамкнутого сверхпроводяцего трансфорыа-ора магнитного потока, состоящего из двух вклвченних по схеме радиентометра сигнальных катуиек 6, в одну из которых как раз

и помечается образец, и входной катушки 10х СКВИДа. Коммутация тока в обмотке соленоида и в трансформаторе потока осуществляется при включении тепловых ключей 9,10. Для контроля температуры служит дифференциальная термопара Ри/0,072Ре - Си, ее холодный спай 1 размечен вблизи образца, а другой спай 11 помещен в термостат 12, внутри которого поддерживается стабильная температура 323 К. Все измерения проводятсл внутри сверхпроводящего магнитного экрана, который необходим для эффективной экранировки от внешних магнитных помех.

ПТ СКВИД через согласующий 1тСт-контур, а также катувка модуляции и обратной связи 1.м подключаются к блоку электроники. Пройдя обработку в блоке электроники, выходной сигнал магнитометра подается на вход У двухкоординатного графопостроителя Н307/1. На вход X подается сигнал с блока временных разверток или усиленная вольтметром В2-36 э.д.с. термопары. Для настройки и контроля работы магнитометра используется четырехка-нальный осциллограф С1—91,

Чувствительность магнитометра составляет 10" Гс-см3 . диапазон магнитных полей - 0-1000 3, диапазон температур -2-350 К, мощность оптического излучения - до 0,1 Вт/см2.

Для изучения эффекта квантовой интерференции в ВТСП-мате-риалах была смонтирована установка на базе ВЧ СКВИДа, имеющая следующие параметры: частота тока смещения - 30 МГц, частота тока подиагничивания - 35 кГц, чувствительность - 0.1 мкВ, коэффициент усиления - 110 дБ.

. Построение вольт-потоковых зависимостей на графопостроителе можно производить как непосредственно при медленной развертке магнитного поля , тан и проецируя изобравение с экрана осциллографа при помощи специальной стробоскопической приставки.

Третья глава посвящена экспериментальному и теоретическому изучение фотоиндуцированных изменений магнитных свойств кристаллов бората велеза. Дано описание магнитных, резонансных и оптических свойств кристаллов РеВ0э. Приведена методика приготовления образцов для исследований.

Эксперименты проводились на номинально чистых объеыных монокристаллах РеВ03 размерами ~1,5 мм в следующей геометрии. Направление распространения света совпадало с направлением вневнего магнитного поля. Последнее левало в базисной плоскос-

Рис.1. СКВИД-магнитометр. Обчая экспериментальная схема.

I - образец, 2 - световод, 3 - линза, 4 - поляризатор. 5 - заслонка, б - сигнальные катуяки, ?,

II - спаи термопары. 8 - сверхпроводящий соленоид, 9,10 - тепловые кличи, 12 - термостат.

ти кристалла и было перпендикулярно оси С4.

Б экспериментах измерялось изменение проекции магнитного момента сГ/тт^ на направление внешнего магнитного поля при освещении (см. вставку на рис.2). При этом все внимание было сосредоточено на исследовании только обратимых изменений. (Необратимые изменения изучались ранее методом АФМР и объясняются переносом заряда ыемду центрами, находящимися в неэквивалентных кристаллографически/ позициях".) Проведены температурные, магнитополевые исследования (рис.2), а таксе - в зависимости от уровня оптической мощности.

При анализе временного поведения фотоиндуцированного изменения магнитного момента было замечено, что та часть кривой, которая соответствует спадающему участку, в области температур Т<50 К ыовет быть описана двухэкспоненциальной зависимостьо

При повышении температуры начинает превалировать "медленная" экспонента. Параметр "быстрой" экспоненты Г( е рассматриваемой диапазоне температур аппроксимируется вырасеннеи

//г, = о>, «хрМ,/к6Т), (2>

где кБ - постоянная Больцмана, и)1 =1,5 с"', й,/кв-~5,6 К. Амплитуда В< при изменении температуры от 4,2 К до 50 К умень-иается более чем на порядок. Относительно "медленной" экспоненты заметим, что ¿12>0, причем для согласия с экспериментом необходимо, чтобы величины и были температурно-зави-симыми. Б рамках подхода, когда примесная система представляется как ансамбль двухуровневых центров, такое поведение новно объяснить существованием центров с наборов расцеплений, ис сильно различающихся по величинам. Установлено, что при Т>50 К становится заметным тепловой вклад, удельный вес которого растет при повывении температуры.

Обнарукена особенность временного поведения фотоиндуцированного изменения магнитного момента, которая заключается в

1) Patrin C.S., PetrakovsklI G.A., Rudenko U.U. Photoinduced change of aagnetic resonance in FeB03 single crystals // Phys.stat.sol.(a).- 1987.- U.99.- N.2.- P.619-623.

Рис.2. Полевые зависимости фотоиндуцированного изменения магнитного момента (эксперимент) при Т = 4.2 К (1). 6 К (2), 16 К (3); Р=0,1 Вт/см2 . На вставке - временное поведение (1): импульс света (2).

возникновении колебательного процесса. При включении оптического излучения при Т=2 К по истечении нескольких секунд начинает развиваться автоколебательный процесс, который выходит на стационарный уровень и имеет вид гармонического колебания, устойчивого во времени. После выключения света колебания затухают за время порядка 10 с. Процесс имеет место в интервале магнитных полей 15-70 3.

Полученные экспериментальные результаты оказалось возмов-ным понять на основании модельных представлений. Было принято, что фоточувствительным центром является комплекс, содерваций ион ?2г* . Поскольку для Рег+ нивайшим по энергии является квазидублет с расщеплением около 5 см"1, который и проявляется при низких температурах, а следующий уровень находится довольно высоко, то, вероятнее всего, в результате оптического облучения происходит перераспределение заселенностей этого квазидублета. Анализ релаксационного поведения ¿т^ приводит к необходимости рассмотрения нескольких неэквивалентных центров, по-разноыу реагирующих на оптическое облучение.

Математическое описание магнитных свойств примесной системы мовно проводить, рассматривая фоточувствительный центр как квазиизинговский ион с эффективным спином §=1.

На первом этапе производился расчет энергетического спектре ионов Рег+ в предположении, что примесные ионы занимают узлы, присущие ионам Ре3+, привязаны к местам кислородных вакансий и равновероятно распределены по 24 неэквивалентным позициям ? кристалле, различающимся набором индексов <к:= 1.2: 5 = 1,2: 1=1,...6) = (р). Индексы обозначают: к - номер подрешетки, г -угол ±, на который развернуты локальные оси квантования I' относительно кристаллографических осей Сг, I - номер неэквивалентного, узла внутри выбра^ой подрешетки. Для примесного иона, находящегося в рд-ой позиции И - ионы в позиции р), был использован спиновый гамильтониан следующего вида:

■431

где Зрц,^ - эффективный спин иона, р - магнетон Бора. ДМ -молекулярное поле, действующее на рд-ий ион со стороны другой подрешетки, Н - внешнее магнитное поле, 0 и Е - параметры

кристаллического поля.

При диагонализации пыравения СЗ) были определены собственные значения гамильтониана и рассчитаны энергетические состояния центров в зависимости от угла мевду направлением намагниченности подреяетки и локальной осью Т! для различных позиций (рис.3).

Далее, методом кинетических уравнений был рассчитан баланс заселенностей энергетических уровней. Поскольку оптическое излучение непосредственно не вызывает переходов меиду уровнями основного мультиплета примесного центра, для вероятностей релаксационных переходов менду ними использовалось условие детального равновесия.

Поведение системы в зависимости от изменения параметров мозно описать, если известен вид ее энергии. В райках пред-лопенной модели матрица-кристалл рассматривается в континуальном приблияении. Магнитная энергия матрицы вместе с примесной подсистемой имеет вид

1>.<ьч

здесь ^г - зесаановское взаимодействие, \х/Б - менподреие-точноо Обменное взаимодействие, - взаимодействие Дзяло-

эинского. \(/ло - энергия одноосной анизотропии, Пр^ - заселенность £-го уровня, его энергия, 5 - энтропия примесной подсистемы.

Затеи, из условия минимума энергии (4) были определены равновесные углы намагннченностей подреиеток как в отсутствие, так и при наличии оптического излучения. Это позволило рассчитать фотоиндуцированное изменение намагниченности

где - изменение энергии,примесной подсистемы, V/, - азимутальные углы подреиеток, А? - константа обменного взлимп-действия, Мв - намагниченность, насыщения подреиетки. При расчете било учтено, что образец находится в ненасыщенном состоянии, и его намагниченность является функцией магнитного

ПОЛЯ.

В результате решения данной задачи били получены нолевые зависимости фотоиндуциропанного изменения намагниченности сГ/77^

Рис.3. Диаграмма энергетических уровней примесных центров в разных кристаллографических позициях в зависимости от угла ыевду выбранной осью Сг и внеиниы магнитный полей. Стрелками указаны преимущественные переходи, индуцируеиие светом в цикле оптического поглоцения и релаксации.

Рис.4. Полевке зависимости фотоиндуцированного нзценения наг' нитного момента при различных температурах (расчет) при Т - 4.2 К (1). 6 К (2). 10 К (3). 16 К (4). На вставке - вклады от центров, находящихся в разных кристаллографических позициях.

при различных температурах (рис.4) и мощностях оптического излучения. Можно отметить хоровее согласие теоретического расчета с экспериментом. Как и в эксперименте, получается два провала в полевой зависимости и выход на асимптотический уровень в больших магнитных полях. Эти провалы являются результатом конкуренции ькладов от центров, находячихся в позициях 1-2,5 (низкополевой провал) и 1=3,6 (провал при большем поле) (см. вставку на рис.4). Центры, расположенные в позициях типа 1,4, не проявляются из-за больного расцепления между энергетическими уровнями и, кроме того, практически нулевой заселенности изотропного состояния.

Согласно используемой модели, в результате взаимодействия с оптическим излучением в цикле оптического поглощения и релаксации происходит перераспределение заселенностей уровней фотоцентра таким образом, что преимуцественно заселяется уровень, соответствующий состоянию с ¿Зг/=-1. В конечном итоге, из-за обменной связи фотоцентра с матрицей магнитное состояние последней меняется, что можно рассматривать как действие нового эффективного поля анизотропий.

Дополнительным подтверждением правильности использованной модели примесного центра может служить описание, наряду с фотомагнитными свойствами, анизотропных свойств РеВ03 и факта спин-переориентационного перехода при низких температурах.

Был выполнен расчет внутреннего поля Н^, возникающего от примесной подсистемы и действующего на магнитный момент кристалла, в отсутствие оптического излучения. Получено, что значение зависит от угла Ущ между направлением магнитного момента кристалла и осью С2 . Были определены направления легкого намагничивания V™. Расчет показал, что поворот оси легкого намагничивания от %г =30° к углу Ут =0 имеет место в интервале температур 4-30 К. Теоретически рассчитанная температурная зависимость поля анизотропии находится в согласии с полученными ранее экспериментальными данными г).

2) Дороиев В.Д., Крыгин И.М., Лукин С.Н., Молчанов Й.Н., Прохоров А.Д., Руденко В.В.. Селезнев В.Н. Базисная магнитная анизотропия слабого ферромагнетика ЕеВОз // Письма в НЭТФ.-1979.- Т.29.- В.5.- С.286-290.

Четвертая глава посвящена экспериментальному изучении магнитных свойств ансамбля джозефсоновских переходов в ВТСП. Представлены результаты исследования эффекта макроскопической квантовой интерференции в ВТСП-керамиках системы Tl-Ca-Ba-CuO. Приведены характеристики СКВИД-датчиков различных конструкций, изготовленных из ВТСП-кераиик, Данные анализируптся в контексте возмонного применения исследуемых образцов в приборах СКВИД-магиитометрии, работавцих при азотных температурах.

Таллиевые керамики были получены к.ф.-н.н. Волковым В.Е. в Институте химии и химической технологии (г. Красноярск) 3'. Из таблеток путем механической обработки вырезались образцы в форме параллелепипедов для исследований. При подклпчении образцов к схеме 84 СКВИДа наблюдалось явление макроскопической квантовой интерференции.

На рис.5 показана типичная вольт-полевая характеристика объемного керамического бруска, снятая за один цикл развертки магнитного поля. Данная зависимость обладает гистерезисом, что, вероятно, является проявлением свойств сверхпроводящего стекла, причем величина гистерезиса практически не зависит от скорости развертки поля. В верхней либо нишей части форма кривой не является треугольной, а имеет более словннй вид: на фоне "главного" периода наблюдаются "частные". Такая зависимость повет получиться, если имеется набор размеров контуров квантования, причем последние не сильно связаны. Однако регулярность зависимости указывает на синхронизацию в поведении контуров.•

Существование квантовой интерференции на статистической систеке квантующих контуров, образованных зернами ВТСП-кераки-ки, нояет быть обусловлено возникновение« взаимной синхронизации отдельных переходов Дкозефсона через высокочастотное электромагнитное поле. У разных.образцов период по полю на вольт-полевой характеристике получался различный, что связано, по-видимоиу, со спецификой технологических условий приготовления

3) Петраковсиий Г. А.. Ролков В.Е.. Патрин Г.С., Бидман Т.П.. Киселев H.H..Васильев D.H. Синтез и физические свойства высокотемпературных сверхпроводников системы Tl-Ca-Ba-Cu-0 // Изв. вузов. Физика.- 1990.- Н.9.- С.18-22.

'вч

Ю-2 Го

I-1

Рис.5. Вольт-полевая характеристика керамического объемного бруска из "ПСаВаСиО, снятая за один цикл развертки магнитного поля при 1-7? К.

Рис.6. Вольт-потоковые зависимости ВТСП СКВИДа конструкции Циммермана при Т - 4.2 К (I). 77 К (2).

в

- »а -

керамик.' Оценка эффективной площади контура квантования магнитного потока дает значение порядка 10~J имг.

С целью выявить возмоиности создания из ВТСП чувствитело-ных элементов СКВИД-магнитометров, работающих при температуре видкого азота, автором были исследованы керамические образцы составов HoBaCuO, TlCaBaCuO и BISrCaCuO. Измерения проводились в интервале температур 4,2-77 К. Были изготовлены bulk-СКВИДы и СКВИДы конструкции Циммермана

Ви1к-СКВИДы представляют собой массивные бруски ВТСП-кера-мик в форме параллелепипеда либо цилиндра: ВЧ катуика наматывалась непосредственно на их боковую поверхность. Образцы состава HoDaCuO СТс =92 К) имели диаметр 3 ми я высоту 2 мм. Сигнал низкочастотной модуляции наблюдался лнаь при гелиевых температурах н сильно ослабевал с повышением температуры до 30 К. Для данных образцов надежная запись вольт-полевой зависимости была затруднена из-за неустойчивой работы прибора и худией воспроизводимости результатов.

Buik-СКВИДы из Т1- (Тс = 115 К) и Bi-еодержацих (Тс^110 К) керамик имели размеры 2x2x8 мм3 и обладали схожими параметрами, Данные образцы позволяли фиксировать вариации внеиних магнитных полей и обладали при надлеяащей настройке при Т-77 К чувствительностьи 1-2 мкВ/Ф0 (Ф0 - квант магнитного потока). На некоторых образцах при понижении температуры до Т=4,.2 К на-блвдалось ухудиенне работы прибора, вплоть до полного исчезновения полезного сигнала. Эти образцы отличались больиимн критическими токами и, по-видиному, с понижением температуры начинали проявлять свойства, близкие к свойствам массивных сверхпроводников.

Одноконтактные СКВИДы конструкции Циммермана изготавливались из таллиевнх и висмутатных керамик. Диаметр отверстий у различных чувствительных элементов составлял 1-1,5 мм. Слабая Связь с характерными размерами 0,1x0,05x0,05 мн3 формировалась механическим способом. При такой конфигурации интерфе-

4) Zlaaeraan J.E..Thyene P.. Harding 3.T. Deslng and operation of stable rf-btased superconducting point-contact quantum devices.and a note, on the properties of perfectly clean ие-tal contacts// J.fipp 1 .Pliys.- 1 970.- U.41.-N.4.-P.1572-1580.

рометра ВЧ катушка резонансного контура размещалась внутри одного из отверстий. Вольт-полевые характеристики СКВИДов, снятые при различных температурах (рис.б), имеют треугольную форму, присущую традиционным ниобиевым ВЧ СКВИДам, работающим в гистерезисном ревиме. Для некоторых СКВИДов подобные зависимости исчезают по мере повышения рабочей температуры устройств до ~ 60 К. Это мовно объяснить тем, что с ростом температуры уменьмается критический ток 1с слабого участка, и интерферометр переходит в безгистерезисный реаим работы, что происходит при условии 1с < Ф0/(21Г1), где Ь - индуктивность контура интерферометра. При азотных температурах вольт-полевые зависимости не всегда были строго периодического треугольного вида либо из-за множественности переходов Двозефсона в области слабой связи, либо из-за неоднозначности контура квантования магнитного потока,!

В отличие от Ьи1к-СКВИДов двухдырочные интерферометры обладали безгистерезисной вольт-полевой характеристикой. Кроме того, их чувствительность оказалась довольно высокой и достигала значений 5-7 икВ/Ф0 при Т=4,2 К, что близко к таковой для ниобиэвого СКВИДа на точечном контакте.

Вавно, что ни длительное (в течении нескольких месяцев) хранение на воздухе, ни многократное термоциклирование не привело к заметным изменениям параметров СКВИДов из керамик систем Т1-Са-Ва-Си-0 и В1-5г-Са-Си-0.

В заключении диссертации кратко сформулированы основные результаты работы.

1. Разработан и создан ПТ СКВИД-магнитометр для фотомагнитных исследований в слабых магнитных полях, имеющий следующие параметры:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ РАБОТЫ

- чувствительность..............

- интервал магнитных полей......

- диапазон температур...........

- мощность оптического излучения

10 Гс-см3:

0 - 103 Э: 2 - 350 К:

до 0,1 Вт/смг.

2. Смонтирована установка на базе ВЧ СКВЙД-магнитометра для изучения магнитных свойств системы двозефсоновских переходов в ВТСП-материалах. Параметры установки:

3. Впервые экспериментально изучены полеЕые, температурные и временные зависимости обратимых фотоиндуцированных изменений магнитного момента в кристаллах РеВ03 при разных уровнях мощности оптического излучения. Измерения проведены при гелиевых температурах.

4. Показано, что фотомагнитные и анизотропные свойства кристаллов РвВ03 объясняются в рамках модели, где иатрица-крис-талл описывается в континуальном приблиЕенни, а фотоцентр -ион ?ег* - как квазиизинговский ион с 5=1, обменно связанный с матрицей. При освещении происходит перераспределение заселенностей таким образом, что преимущественно заселяется сильно анизотропный уровень. Рассчитан и объяснен спин-пе-реориентационный переход в базисной плоскости при низких темпе'ратурах.

5. Проведено исследование явления макроскопической квантовой интерференции на образцах из ВТСП-керамик системы Т1-Са-Ва-Си-0, которые подключались в качестве чувствительных элементов к электронике ВЧ СИОИДа. Показано, что в объемных образцах под воздействием высокочастотного поля происходит синхронизация в поведении контуров квантования магнитного потока, оценены размеры контуров.

6. Из ВТСП-керамнк различных систем изготовлены Ьи1к-СКВИДы и СКВИДы конструкции Циммермана, способные работать при температурах видкого азота, изучены их вольт-полевые характеристики в диапазоне температур 4,2-77 К. Продемонстрирована возмовность использовать двухдырочние интерферометры из ВТСП как входные преобразователи для магнитометров, работавших при температуре 77 К.

- частота тока смещения.......

- частота тока подмагничивания

- чувствительность............

- коэффициент усиления........

30 МГц 35 кГц 0,1 мкВ 110 дБ

Основные результата диссертации опубликованы в следувцих работал:

1. Великанов Д.П.. Патрин Г.С., Петраковский Г.ß., Волков В.Е. Квантовая интерференция в ВТСП керамиках системы Т1-Са-Ва-Си-0 // Препринт N 5ЬБ®. Красноярск, 1989.- 12 с.

2. Великанов Д.А., Патрин Г.С.. Петраковский Г.ft.. Волков В.Е. Квантовая интерференция в ВТСП-керамиках системы Т1-Са-Ва-Си-0 // Изв. вузов. Физика.- 1990.- Н.Э.- С.26-29.

3. Великанов Д.П.. Патрин Г.С., Петраковский Г.П., Волков В.Е. ВЧ СКВИД из ВТСП керамики TICaBaCuO // Тезисы докладов. 4-й семинар по функциональной магнитоэлектроннке. Красноярск,

1990.- С.155-156.

4. Великанов Д.О.. Волков В.Е., Патрин Г.С., Саблииа H.A." ВЧ СКВИДы из ВТСП керамик // В сб.: Физические свойства магнетиков. Красноярск, 1990.- С.23-33.

5. Патрин Г.С., Великанов Д.А., Петраковский Г.А. Исследование фотомагнитного эффекта в кристаллах FeB03 на СКВИД-магнито-ыетре с оптической накачкой // Тезисы докладов. 19-я Всесоюзная конференция ло физике нашит них явлений. Тавкент,

1991.- Ч.1.- С.40.

6. Патрин Г.С.. Великанов Д.А.. Петраковский Г.А. Низкотемпературные исследования фотомагнитного эффекта в кристаллах FeB03 на СКВИД-магнитометре // Тезисы докладов. 29-е Совещание по физике низких температур. Казань. 1S92.- Ч.З.-С.Т25.

7. Patrin G.S.. Petrakovskli С.П.. Uolkov U.U.. Uelikanov D.fl. Photolnduced changes of oagnetic properties In easy plane ueak ferrocagnets << -Fe203and FeBOj // Abstr. Int. conf. on cagnetlc clcctronics, Krasnoyarsk, 1992.- P.3G-37.

8. Патрин Г.С., Великанов Д.А.. Петраковский Г.А. Изучение фотоиндуцированного магнетизма в кристаллах FeBOj на СКВЯД-магнитометре // ШЭТО.- 1993.- Т.103.- В.1.- С.234-251.