Исследование пространственно-неоднородных сверхпроводящих систем при помощи СКВИД-магнитометра тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

РГ6 ОД 17-97-399

О Ь г!) Г В На правах рукописи

УДК 538.945

ОБУХОВ Юрий Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕОДНОРОДНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СИСТЕМ ПРИ ПОМОЩИ СКВИД-МАГНИТОМЕТРА

Специальность: 01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 1997

Работа выполнена в Лаборатории нейтронной физики им. Франка Объединенного института ядерных исследований

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Балагуров А.М.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Лущиков В.И.

доктор физико-математических наук Снигирев О.В.

Ведущая организация:

Институт радиоэлектроники РАН, г.Москва

Защита состоится "Й" 1998 г. в /о-НС часов на заседании

Диссертационного совета Д 047.01.05 при Лаборатории нейтронной физики и Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ. Автореферат разослан "<?/" (Х»ч^<у£«11998 г.

Ученый секретарь Диссертационного сов

Попеко А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ по проблеме высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) обусловлена возможностью широкого применения этих соединений в науке и технике, благодаря их новым исключительным свойствам. Высокая температура сверхпроводящего перехода Тс (выше температуры кипения жидкого азота) и высокий критический ток позволят создать новые элементы для вычислительной техники, дешевую криогенную аппаратуру, высокочувствительные магнитометры на основе СКВИДов, компзк тные двигатели, генераторы и трансформаторы, сверхмощные магниты и многое другое. С открытием новых эффектов и новых ВТСП соединений безусловно будуг возникать новые области применения этих материалов. ВТСП представляю) огромный шперес для теоретическое! и экспериментальной физики. Разработка различных теоретических моделей, работы но нефононным механизмам сверхпроводимости, исследование симметрии параметра порядка дали мощный толчок развитию физики сверхпроводников.

Одним из основных свойств образцов таких соединений является их существенная пространственная неоднородность. Это касается как керамических материалов, в которых гранулированность является естественным следствием твердотельной реакции синтеза, так и монокристаллических, где различного рода дефекты мо1ут приводить к подавлению сверхпроводящих свойств. При исследовании ВТСП материалов такая пространственная неоднородность сверхпроводящих свойств вносит дополнительные трудности. Кроме того, подобные объекты являются интересными и с фундаментальной точки зрения и дали толчок развитию новых направлений в физике сверхпроводников, таких как джозефсоновские среды и джозефсоновские сверхрешетки.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ являлось исследование свойств пространственно-неоднородных сверхпроводящих систем: керамического УВагСиз07_х и монокристаллических ЬагСиО^; создание СКВИД-магнитометра; создание и отработка измерительных методик и интерпретация данных для этого прибора.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

- Разработана улучшенная методика измерения критических токов керамических ВТСП образцов.

- Впервые предложено и обосновано при помощи численного моделирования объяснение наблюдаемого в ВТСП парамагнитного эффекта Мейсснера без предположения о джозефсоновских контактах л-типа.

- Исследованы монокристаллы ЬагСиОд+б не демонстрирующие макроскопического фазового разделения (по нейгронографическим данным). В результате показано, что монокристаллы все-таки разделяются на соответствующие фазы, но характерный размер гранул составляет -100 ангстрем. При данных размерах основные структурные методы (нейтронной и рентгеновской дифракции) не дают возможности обнаружить эти фазы. Малый размер монофазных областей говорит о пониженной мобильности кислорода в эти монокристаллах, связанной, по-видимому, со спецификой их роста.

- Обнаружена зависимость диамагнитного отклика сверхпроводящих монокристаллов ЬагСиС^+з (как с макроскопическим разделением на бедную и богатую но кислороду фазы, так и без макроскопического разделения) ог скорости захолаживания в диапазоне температур 300 -10 К. Показано что характерная скорость образования сверхпроводящей фазы (т.е. скорость диффузии кислорода) в системах без фазового разделения существенно меньше чем в аналогичных системах, описанных в публикациях.

2

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

Полученные в диссертации результаты помогают лучше понять процессы, происходящие при диффузии кислорода в системах

ЬагСи04+5. Предложенные методики определения критических токов в ВТСП керамиках позволяют четко разделить диамагнитный отклик гранул и транспортных межгранульных токов и сделать анализ свойств джозефсоновских критических токов. Численное моделирование процессов FC (Field Cooling) для пеодносвязанмых сверхпроводников расширяет методические возможности СКВИД-магнитометров. Некоторые конструктивные особенности созданного СКВИД-магнитометра повышают надежность его работы, а методика анализа сигнала мапштометра позволяет исследовать неоднородно намагниченные образцы и повышает разрешение прибора.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты работы докладывались на конференциях NATO ARW 'Physics and Material Sciences in High Temperature Superconductivity, IV' (Strbske Pleso, Slovak Republic, 1996); Weak Superconductivity Symposium WSS'94 (Smolenice Castle, Slovak Republic, 1994); Materials and Mechanisms of Superconductivity, High Temperature Superconductors III, (Kanazawa, Japan, 1991); на XXX совещании но физике низких температур (Дубна, 1994), на международной школе — Spring College in Condensed Matter on "SUPERCONDUCTIVITY", (Trieste, Italy, 1992), семинарах ИАЭ им. Курчатова; Лаборатории теоретической физики и Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований.

з

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация состоит из введения, шести глав, содержащих обзор работ и основные результаты, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, включая 50 рисунков и 103 библиографические ссылки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении кратко сформулированы проблемы, обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы основные результаты, выносимые автором на защиту.

В первой главе проводится обзор основных свойств ВТСП. Обзор проводится но трем основным направлениям.

Во-первых - магнитные свойства керамических ВТСП. Приведены основные экспериментальные данные по исследованию диамагнитного отклика, эффекта Мейсснера и плотности критических токов для керамических ВТСП. Приведены примеры анализа экспериментальных данных при помощи модели Бина. Рассматривается подход описания этих систем как систем сверхпроводящих гранул с джозефсоновскими контактами.

Во-вторых, рассматривается проблема симметрии параметра порядка в ВТСП. Приведены основные экспериментальные результаты по исследованию анизотропии амплитуды и фазы параметра порядка. В настоящий момент это новая область в изучении ВТСП и четкой интерпретации экспериментальных данных просто не существует, однако, исследования анизотропии фазы параметра порядка четко показывают, что в ВТСП материалах существуют механизмы для создания на джозефсоновских контактах ненулевой разности фаз (а значит и тока) в отсутствии каких-либо внешних воздействий. Такое поведение совершенно не характерно для обычных сверхпроводников и дает толчок к развитию новых механизмов сверхпроводимости.

В-третьих, рассмотрены системы ЬагСиОф^. Эти соединения при концентрациях допирования 5 = 0.01 - 0.06 демонстрируют при температурах ниже 200 - 400 К пространственное разделение на две практически идентичных по параметру решетки фазы. Одна 8 = 0.01 -антиферромагнетик и изолятор, вторая 5 = 0.06 - металл, который при температурах ниже 38 К становится сверхпроводником. Таким образом, в этих системах, даже в монокристаллах, из-за перераспределения кислорода проявляется гранулыюсть. Кроме того, процессы перераспределения кислорода при температурах фазового разделения Тр5 достаточно медленные. В обзоре приведены имеющиеся экспериментальные данные по изучению кинетики этого процесса. В связи с длительностью процесса перераспределения кислорода в матрице ЬагСиО^ а следовательно, возможностью управлять этим процессом, эти соединения обещают стать уникальными материалами для изучения механизма сверхпроводимости в ВТСП.

Во второй главе описана конструкция и техническая реализация прибора, на котором проводилась основная часть измерений -СКВИД-магнитометра. Приведены некоторые технические решения прибора, проведены измерения и анализ шумов. Прибор имеет следующие рабочие характеристики:

Рабочий интервал температур Диапазон магнитных полей Чувствительность по магнитному моменту Разрешение по магнитному моменту: намагничивающее поле 1 Э намагничивающее поле 100 Э Максимальный диаметр образца

4.5 - 300 К 0.01 - 100 Э 2.4-10"10 Ам2/Фо

1012 Ам2 10"'1 Ам2 4 мм

В третьей главе проведен анализ сигнала, получаемого при измерениях на магнитометре. В общем случае сигнал магнитометра является сверткой сигнала от точечного источника магнитного момента с распределением момента но объему образца. При помощи решения обратной задачи уравнения свертки предложена процедура восстановления распределения момента по образцу. Задача проанализирована для конкретных сигналов и шумов, получаемых при измерениях на магнитометре. Предложены фильтрующие функции для устранения избыточных высокочастотных шумов. В рамках решения данной задачи проанализировано предельное разрешение прибора для реального распределения шумов.

В четвертой главе приведена работа по исследованию критических токов в ВТСП керамиках, а именно УВагСизО?.*. Предложена процедура измерения, позволяющая четко разделить области полей и температур, в которых изменение сигнала момента в основном связано с разными типами сверхпроводящих токов - межгранульными транспортными и внугршранульными (см. рисунок 1). При такой

0.0

X

-0.5

-1.0

0 50 100

temperature. К

Рисунок 1. Температурная зависимость ZFC (Zero Field Cooling) восприимчивости керамического образца УВагСизО?.* при различных магнитных полях.

интерпретации для области, где основную роль играют межгранульиые токи, на основе модели критического состояния предложена процедура вычисления критических токов. В результате получаем температурные и полевые зависимости межграпульнмх критических токов. Вид температурной зависимости критического тока позволяет сделать вывод о типе межгранульных джозефсоповских контактов. Из кривых намагниченности получена температурная зависимость поверхностного магнитного барьера для керамического сверхпроводника, который можно рассматривать как первое критическое поле для джозефсоновской среды Нр.

В пятой главе рассматривается наблюдавшийся некоторыми авторами парамагнитный эффект Мейсснера [1], который послужил отправной точкой изучения симметрии параметра порядка в ВТСП (см. рисунок 2). Этот эффект рассматривается как тест на наличие с1-симметрии купперовской пары в ВТСП. При помощи численного моделирования троцесса РС для неодносвязанных сверхпроводников различной |юрмы показано, что подобный эффект может возникать на обычных :верхпроводниках, без какого-либо предположения об экзотической лшметрии параметра порядка. Парамагнитный сигнал возникает в :лучае захвата сверхпроводником основной части магнитного потока, фонизывающего его в нормальном состоянии, и последующей его компрессии в одно или несколько "потоковых пятен". Лроанализирована амплитуда парамагнитного сигнала для образцов )азличной формы, более тщательно рассмотрен случай захвата потока 1 сверхпроводящих пленках.

^которые особенности данных приведенных на рисунке 2, такие как 'меньшение Э^/ЭН при уменьшении ноля, позволяют утверждать, что вторы наблюдали именно такой захват потока. Так как в случае [аведения спонтанных токов в образце без какого-либо поля джозефсоновский л-контакт), момент должен становиться константой [ри уменьшении поля, а значит получалась бы расходящаяся ависимость Э%/ЭН <*= 1/Н2.

Т [К]

Рисунок 2. ZFC и FC сигналы керамики Bi2212, демонстрирующие парамагнитный эффект Мейсснера [1]

В шестой главе приведены данные по исследованию монокристаллог La2Cu04+g. Уникальность исследуемых образцов состояла в том, чгс они не демонстрировали какого-либо фазового разделения щн нейтронографических и рентгенографических исследованиях [2,3] несмотря на то, что находились в центре щели растворения 5 = 0.0; [4]. Исследования диамагнитного отклика этих образцов показали, чт< фазовое разделение может иметь место, однако размер монофазны: областей составляет ~ 100 ангстрем, что делает невозможны? регистрацию отдельных фаз при помощи методов нейтронной ши рентгеновской дифракции.

Далее был изучен процесс образования сверхпроводящей фазь Образец медленно охлаждался от 300 К до 10 К в течение времени ' затем проводились измерения ZFC (Zero Field Cooling) в различны нолях. Измерения были проведены для образцов с макроскопически фазовым разделением (L2) и без разделения (М4А). Результат приведены на рисунках 3 и 4. Оказалось, что процессы образоваш сверхпроводящей фазы для этих систем аналогичны, однако образи без фазового разделения демонстрируют существенно меныш

8

диамагнитный отклик. Это лишний раз подтверждает то, что процесс фазового разделения имеет место в той и другой системе, однако в М4А процесс диффузии кислорода существенно подавлен, по-видимому, из-за специфики технологии приготовления.

1 00

ш

ш о

О Ос

О

-1 00

-200

-300

-400 100

о -

-100

-200 -

-300

-400 1 00

о

-1 00 -200 -300 -400

Ь2, время захолаживания I мин. 30_

1_2, время захолаживания 60 мин.

0.1

1.2, время захолаживания 8 часов

О

40

10 20 30

Температура, К

Рисунок 3. Зависимости Х¥С для образца Ь2 (с макроскопическим разовым разделением), в полях 0.1 Э, 5 Э и 30 Э, охлажденного ниже температуры фазового разделения Тр, в течение различного времени.

Диссертация заканчивается заключением, где сформулированы основные результаты.

-5

1°

М4А, время захолаживания 1 мин. 0.1

а о о. с

5

2

, , , . | . - , . , М4А, прсмя захолажннапии 60 мин. 30

0.1

-5

I

-10

1 о

IМ4А, время захолаживания 4 часа

0 • 30 - ........-......

-10

-20

-30

0.1

I ■ 1 ■ I ■ I • ■,

8 12 16 20 24

Температура, К

Рисунок 4. Зависимости ZFC для образца М4А (макроскопически не разделяющийся) в полях 0.1 Э, 5 Э и 30 Э, охлажденного ниже температуры фазового разделения Тр5 в течении различного времени.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Разработана улучшенная методика измерения критических токов керамических ВТСП образцов. Проведены исследования образцов УВазСизС^х керамики. На основе полученных зависимостей критического тока от температуры сделано предположение о типе джозефсоновских контактов между гранулами (в данном образце -

и Б-ЫЧ-ЬЗ типа).

2. Впервые предложено объяснение наблюдаемого в ВТСП парамагнитного эффекта Мейсснера без предположения о Джозефсоновских контактах я-типа. Данный эффект численно промоделирован для различных конфигураций сверхпроводников, в частности, для сверхпроводящих пленок. Показано, что пленки после процедуры РС могут иметь не только парамагнитный сигнал, но и демонстрировать увеличение парамагнитного сигнала со временем.

3. Исследована сверхпроводимость в монокристаллах ЬагСиО^д Уникальность монокристаллов заключалась в том, что они не имели характерного для этих соединений разделения на металлическую и антиферромагнитную подсистемы (по нейтронографическим данным). В результате было показано, что монокристаллы все-таки разделяются на соответствующие фазы, но характерный размер однофазных областей составляет не более 100 ангстрем. При данных размерах основные структурные методы (нейтронной и рентгеновской дифракции) не дают возможности обнаружить эти фазы. Малый размер монофазных областей свидетельствует о пониженной мобильности кислорода в этих монокристаллах, связанной, по-видимому, со спецификой их роста.

4. Обнаружена зависимость диамагнитного отклика сверхпроводящих монокристаллов ЬагСиОд+д. от скорости охлаждения в диапазоне температур 300 - 10 К, а именно, при увеличении времени охлаждения от одной минуты до нескольких часов диамагнитный отклик существенно возрастает. Такое поведение подтверждает

предположение о диффузном характере перераспределения кислорода

11

в матрице ЬагСи04 с характерными временами порядка десятков минут.

5. Предложена модифицированная конструкция и создан портативный СКВИД-магнитометр, работающий в диапазоне температур 4-300 К и магнитных нолей 0.01 - 100 Э, имеющий разрешение 10~12 Ам2.

6. Разработана методика обработки сигнала СКВИД-магнитометра, основанная на решении уравнения свертки. Методика помогает повысить разрешение магнитометра на порядок и исследовать неоднородно намагниченные объекты.

ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Ю.В.Обухов, Б.И.Савельев, Сверхпроводящий квантовый измеритель малых магнитных моментов, Препринт ИАЭ им. Курчатова ИАЭ-5393/10 (1991)

2. Обухов Ю.В., Савельев Б.И., Хаппн В.В., Портативный квантовый магнитометр, работающий в широком диапазоне температур, ПТЭ, N5, 166-169 (1991)

3. Е.ИЛитвиненко, Ю.В.Обухов, Профамма восстановления магнитного момента образца при измерениях на СКВИД-магнитометре, Препринт ОИЯИ Р10-94-44.

4. E.I.Litvinenko, Yu.V.Obukhov, A.N.Chernikov, SQUID-susceptometer for measurement of small magnetic moments, Proceedings of the Seventh International Symposium on Weak Superconductivity, June 610, Smolenece Castle, Slovak Republic 1994, p. 402-407.

5. Yu.V.Obukhov, Critical Currents in YBaCuO Ceramics, J. Superconductivity, 5, No 2, 101-105 (1991)

6. Yu.V.Obukhov, "Paramagnetic" Meissner Effect in Superconductors, JINR Reports, E17-94-256,

7. Ю.В.Обухов, "Парамагнитный" эффект Мейсснера в сверхпроводниках, доклады XXX совещания по физике низких температур, 6-8 сентября 1994, ч.1, с.202-203.

8. Yu. Obukhov, V.Yu.Pomjakushin, A.A.Zakharov, A.A.Nikonov, Superconductivity in the ЬагСиО^оз single crystal system, Proceedings of Conference Physics and Material Science of HTS IV, p.179-185. (1996)

9. B.V.Vasiliev, Yu.V.Obukhov, Critical currents of УВа2Сиз07.5 ceramics, Physica C, 185-189, 2247-2248 (1991)

ЛИТЕРАТУРА

1. Braunish et al., Phys. Rev. Lett., 68, 1908 (1992)

2. A.M.Балагуров, А.А.Захаров, В.Ю.Помякушин, В.Г.Симкин, Письма в ЖЭТФ, 64 (4), 254 (1996)

3. A.A.Zakharov et al., Physica С, 223, 157 (1994), Physica С, 235-240, 341 (1994)

4. D.C.Johnston et al., Physica C, 235-240, 257 (1994)

Рукопись поступила в издательский отдел 26 декабря 1997 года.