Исследование вихревого состоянияоксидных сверхпроводниковметодами микроволнового поглощения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

РГВ од - 6 СЕН 2000

На правах рукописи

ТАЛАНОВ Юрий Иванович

Исследование вихревого состояния оксидных сверхпроводников ¡методами микроволнового поглощения

01.04.11 - физика магнитных явлений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

КАЗАНЬ - 2000

Работа выполнена в Казанском физико-техническом институте им. Е.К. Завойского Казанского НЦ РАН

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н., профессор В.А.Голенищев-Кутузов

д.ф.-м.н., В.В.Рязанов

д.ф.-м.н., профессор Л.Р.Тагиров

Ведущая организация:

Институт физики микроструктур РАН г. Нижний Новгород

Защита состоится « /Г» с&юГЫртт р. в '' часов на заседании диссертационного совета Д.003.71.01 в Казанском физико-техническом институте им. Е.К. Завойского КНЦ РАН (Казань 420029. Сибирский тракт, 10/7).

Отзывы на автореферат (два заверенных экземпляра) просим отправлять по адресу: Казань 420029, Сибирский тракт 10/7, КФТИ.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Казанского физико-технического института им. Е.К. Завойского КНЦ РАН

су г /?

Автореферат разослан « ^ » 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

Актуальность темы. Несмотря на то, что с момента открытия высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), прошел достаточно большой период времени, и было затрачено много средств и усилий на ее изучение, на пути к широкому применению ВТСП материалов существует еще ряд серьезных проблем, требующих своего решения. К их числу относятся нестабильность и низкая величина плотности критического тока ус в области температуры жидкого азота, а также сильное подавлением^ магнитным полем. В некоторых ВТСП-соединениях,таких как например В123г2СаСи20х , плотность критического тока становится равной 0 при температурах на десятки градусов ниже Тс . Без-диссипативное прохождение тока по таким материалам возможно только при условии создания на гранях сверхпроводящего образца барьера для выхода вихревых нитей. Препятствием для выхода вихрей через границу "сверхпроводник-вакуум" может служить как поверхностный барьер Бина-Ливингстона, связанный с искажением траекторий вихревых токов вблизи границы раздела двух сред, так и краевой геометрический барьер, обусловленный наличием несконпенсированной составляющей силы натяжения вихревой нити. Последний эффективен в плоских сверхпроводящих образцах прямоугольного сечения, когда внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно самой большой плоскости. В такой геометрии значительно усложняется описание магнитных свойств сверхпроводника. Они до сих пор не поняты до конца, несмотря на большой интерес к этой актуальной проблеме. Поэтому значительная часть настоящей работы посвящена ее всестороннему исследованию.

Второй круг проблем, представленных в работе, связан с исследованием режимов движения вихрей в слоистых ВТСП-материалах. Известно, что на фазовой плоскости Н—Т вихревой системы существует мно-

го областей, которые отличаются друг от друга состоянием вихревой материи, характером движения вихрей и другими физическими свойствами (см.обзор [1]). Изменение лондоновской глубины проникновения поля, длины когерентности, величины взаимодействия между слоями, энергии пиннинга приводит к переходам от режима пиннинга одиночных вихревых нитей к их коллективному движению, к независимым перемещениям их двумерных фрагментов и т.д. Увеличение магнитного поля, также как и температуры, приводит к быстрому уменьшению плотности критического тока. Изучение зависимости критического тока от магнитного поля и возможностей ее ослабления также является актуальной проблемой физики сверхпроводников.

Цель работы. Настоящая работа направлена на изучение распределения магнитного поля в сверхпроводниках II рода и динамики вихревой системы в широком диапазоне полей и температур. Более конкретно, в работе решались следующие задачи:

1. Нахождение распределения поля в плоском сверхпроводнике, помещенном в перпендикулярное магнитное поле, верификация теоретических моделей, адекватных экспериментальной ситуации.

2. Изучение влияния на магнитный поток таких факторов, как история изменения магнитного поля, прохождение через образец транспортного тока, изменение величины плотности критического тока.

3. Исследование эволюции магнитного потока при ослаблении объемного пиннинга.

4. Нахождение распределения поля в сверхпроводнике в отсутствие объемного пиннинга, в условиях захвата потока краевым геометрическим барьером.

5. Определение состояний вихревой системы и режимов пиннинга вихрей в различных экспериментальных условиях, а также влияния слоис-

того строения на вихревую динамику. Построение фазовой диаграммы вихревой материи в УВагСизО* и Е^Б^СаСигОх . 6. Определение влияния скорости и диапазона развертки внешнего поля на релаксацию захваченного магнитного потока.

Эти задачи, во многом типичные для исследования вихревого состояния сверхпроводников II рода, решались с использованием методов, основанных на поглощении энергии высокочастотного поля, как резонансном (ЭПР), так и нерезонансном (МВП - нерезонансное микроволновое поглощение). Ввиду высокой чувствительности и разрешающей способности метода ЭПР он оказался весьма полезным инструментом для исследования структуры магнитного потока в сверхпроводниках. А измерение нерезонансного поглощения микроволнового поля позволяет изучать такие важные основополагающие аспекты сверхпроводящего состояния, как симметрия параметра порядка [2], а также тонкие эффекты в динамике вихревой системы (см.например [3]). Вместе с тем, учитывал, что в'процессе исследования на образец одновременно воздействуют различные магнитные поля (медленно меняющееся при свипировании модулированное "постоянное" поле и сверхвысокочастотное, перпендикулярное первому), анализ экспериментальных результатов невозмо?кен без создания теоретических моделей, адекватно описывающих возникающую картину распределения магнитных полей и комплексного движения вихревых нитей. Это обстоятельство заметно сдерживает расширение исследований с использованием техники ЭПР, а иногда приводит к ошибочным выводам из полученных результатов. Поэтому глобальной задачей настоящей работы, объединяющей все упомянутые выше исследования, является разработка методов адекватного анализа результатов, полученных с помощью измерений микроволнового поглощения.

Для решения задач, связанных с определением профиля магнитного потока в сверхпроводнике, использовался разработанный автором совместно с Р.И.Хасановым метод подвижного поверхностного спинового зонда, а объектами служили монокристаллы ВТСП, имеющие форму пластины. Для исследования вихревой динамики применялись несколько методик, развитых автором с сотрудниками, основанных на измерении различных характеристик нерезонансного микроволнового поглощения и на эволюции сигнала ЭПР поверхностного парамагнитного слоя. Набор объектов был достаточно широким: анизотропные УВагСизО* , максимально слоистые ¡^ЭггСаСигОх и Т12Ва2СаСи20х , оксидные сверхпроводники с электронным типом проводимости Ргг_уСеуСи04 (все - монокристаллы).

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Разработан метод исследования распределения магнитного поля на поверхности сверхпроводника с помощью подвижного спинового зонда. С помощью этого метода получены следующие результаты:

а) Установлено распределение магнитного поля в плоских сверхпроводниках II рода при перпендикулярной ориентации внешнего поля. Показано, что полученное распределение может быть описано в рамках модели, учитывающей неодномерность внешнего поля и его градиентов.

б) Показано влияние процессов входа и выхода вихрей на профиль магнитного потока в сверхпроводнике при немонотонном изменении внешнего поля.

в) Построено распределение поля в плоском образце сверхпроводника при последовательном включении внешнего магнитного поля и транспортного тока. При этом распределение имеет асимметричный харак-

тер, что отражает перераспределение токов в объеме образца, г) Получено распределение поля в сверхпроводнике при нулевом значении плотности критического тока пиннинга. Показано, что в отсутствие объемного пиннинга захват потока осуществляется краевым барьером, и что форма распределения сохраняется в больших полях, существенно превышающих нижнее критическое поле. Изучена эволюция профиля магнитного потока по мере уменьшения силы пиннинга.

2. По зависимости от времени сдвига сигнала ЭПР поверхностного парамагнитного слоя и по эволюции сигнала микроволнового поглощения исследована релаксация магнитного потока в кристаллах УВа2СизОх • Обнаружен переход от пиннинга одиночных вихрей к коллективному пиннингу при повышении температуры.

3. Обнаружена нелинейная зависимость микроволнового поглощения от величины возбуждающей мощности, связанная с коллективными эффектами в динамике вихрей.

4. На основе анализа гистерезиса микроволнового поглощения исследована динамика вихревой системы в монокристаллах УВа2СизОх в широкой области температур и магнитных полей. При температуре ЗОК обнаружен переход к коллективному пиннингу вихревых нитей, причем в низких полях происходит пиннинг малых связок вихрей, а в более высоких полях - больших вихревых связок. При температурах близких к Тс обнаружено сглаживание потенциальных барьеров пиннинга под действием тепловых флуктуаций, что приводит к резкому уменьшению гистерезиса магнитных свойств.

о. На основе измерений гистерезиса микроволнового поглощения изучена вихревая динамика в монокристаллах В^ЭггСаСигОх . Показано, что слоистость этого вещества приводит к режиму двумерного коллективного крипа.

Научная новизна. В ходе выполнения исследований был получен ряд существенно новых результатов. К ним относятся:

1. С помощью поверхностного спинового зонда, получено распределение магнитного поля в плоском сверхпроводнике II рода (на примере монокристаллов УВагСизОх и В^ЭггСаСигО* ) при направлении внешнего поля перпендикулярно плоскости образца. Показано, что это распределение не поддается описанию в рамках модели Бина [4]. но служит подтверждением теоретических расчетов, сделанных в работах Бран-дта [6] и Клема [7] с соавторами.

2. Показано влияние немонотонного (возвратного) изменения внешнего поля на профиль магнитного потока сверхпроводника, находящегося в критическом состоянии, который в этом случае определяется как процессом вхождения вихревых линий в сверхпроводник, так и их выходом.

3. Получено распределение поля в плоском образце сверхпроводника при одновременном воздействии внешнего магнитного поля и транспортного тока. При этом распределение становится асимметричным, что отражает перераспределение токов в объеме образца.

4. Получено распределение поля в сверхпроводнике при нулевой плотности критического тока. Показано, что в отсутствие объемного пин-нинга захват потока осуществляется краевым геометрическим барьером.

5. При анализе релаксации захваченного магнитного поля и зависимости микроволнового поглощения от величины возбуждающего тока в кристаллах УВагСизОх обнаружен переход от пиннинга одиночных вихрей к коллективному пинкингу при повышении температуры.

6. Методом гистерезисного микроволнового поглощения изучена вих-

ревая динамика в монокристаллах ЕПоЭггСаСигОх , показано влияние слоистого строения этого вещества, обнаружен переход к режиму двумерного коллективного крипа.

7. При температурах близких к Тг обнаружено сглаживание потенциальных барьеров пиннинга под действием тепловых флуктуаций, что приводит к резкому уменьшению гистерезиса магнитных свойств сверхпроводника УВагСизОх .

8. Разработана методика и техника исследования распределения магнитного поля на поверхности сверхпроводника с помощью подвижного спинового зонда.

Совокупность полученных результатов позволяет сделать вывод о высокой эффективности и информационной насыщенности использованных в работе высокочастотных экспериментальных методов. Несмотря на то, что использование в процессе измерений одновременно нескольких магнитных полей с существенно различными периодами изменения вносит в результаты дополнительные нюансы и требует более сложного теоретического анализа, применение этих методов вполне оправдывает такие затраты, так как при этом существенно увеличивается набор параметров, извлекаемых из экспериментов.

Исследование, проведенное в настоящей работе с помощью различных методик резонансного и нерезонансного поглощения микроволнового поля, коррелирует с исследованиями других авторов, использующих иную технику. В большинстве случаев обнаруживается хорошая стыковка результатов. Сравнение данных, извлеченных с помощью разных экспериментальных методов, особенно полезно для решения таких сложных проблем, как вихревая динамика в слоистых сверхпроводниках. Использование в настоящей работе оригинальных методик позволяет взглянуть на проблему под новым углом зрения. Широкий охват

и систематичность проведенных исследований позволяют говорить о развитии нового направления, которое можно назвать микроволновой спектроскопией вихревой системы.

Научно-практическая значимость работы состоит в том, что полученные экспериментальные результаты могут быть использованы (и используются, см.работы [8, 9]) при анализе применимости существующих и построении новых теоретических моделей, описывающих распределение магнитного поля и вихревую динамику в различных внешних условиях. Как показала практика, использование упрощенных моделей критического состояния для описания различных экспериментальных данных, в частности, петель намагничивания М(Н), приводит к значительным ошибкам в определении сверхпроводящих характеристик материалов. К примеру, использование простой модели Бина для оценки плотности критического тока в плоском сверхпроводнике, помещенном в перпендикулярное магнитное поле, приводит к завышению данной величины почти на порядок.

Получение информации о характере движения вихрей и режиме их пиннинга с одной стороны дает основу для построения теоретических моделей, описывающих кинетику релаксации магнитного потока в ВТСП-материалах, а с другой стороны - может служить базой для создания из них устройств, работающих в магнитных полях. В частности, изучение зависимости силы пиннинга и плотности критического тока от магнитного поля, определение условий переключения режимов крипа и возникновения пик-эффекта должны указать пути преодоления подавления критического тока.

Необходимо также отметить еще один аспект, связанный с изучением свойств оксидных сверхпроводников с помощью методов магнитной радиоспектроскопии. Известно, что отклик их вихревой системы на

воздействие переменного электромагнитного поля достаточно высокой частоты (> 109Гц) существенно отличается от такового при низких частотах. Поэтому получение экспериментальных данных с помощью высокочастотных устройств, каковым является спектрометр ЭПР, существенно дополняет информационную базу, полученную традиционными методами изучения магнитных свойств на постоянном токе или на малых частотах (фарадеевский. крутильный, фонеровский, SQUID-и другие магнетометры, ВЧ-восприимчивость, "vibrating reed" и т.д.).

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и совещаниях:

XXV Всесоюзное совещание по Физике низких температур, Ленинград, 25-27 октября, 1988 г.; I Всесоюзное совещание по высокотемпературной сверхпроводимости, Харьков, 20-23 декабря 1988 г.; Всесоюзная конференция "Радиоспектроскопия кристаллов с фазовыми переходами" - Киев. ИПМ АН УССР, 1989 г.; Beijing international conference on high-Тс superconductivity, Beijing, China, September 4-8, 1989.; Ill Всесоюзное совещание по высокотемпературной сверхпроводимости, Харьков, 15-19 апреля 1991 г.; 3-th international conference "Materials and Mechanisms of Superconductivity: High-Temperature Superconductors" (M2S-III), Kanazawa, Japan, July 22-26, 1991; XXIX совещание по Физике низких температур, Казань, 30 июня - 4 июля 1992 г.; XX International conference on Low Temperature Physics (LT-20), Eugene, OR, Aug.4-11, 1993.; 4-th international conference "Materials and Mechanisms of Superconductivity: High-Temperature Superconductors" (M2S-IV), Grenoble, France, 5-9 July 1994.; XXVII Congress AMPERE, Kazan, August 21-24,1994.; XXI International conference on Low Temperature Physics (LT-21), Prague,

August 8-14, 1996.; 4-th international conference "Materials and Mechanisms of Superconductivity: High-Temperature Superconductors" (M2S-V), Beijing. Feb.28 - Mar.4. 1997.; International conference "Spectroscopies in Novel Superconductors" (SNS'97), Boston, September 14-18, 1997.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 31 работе. Из них: 20 статей в центральных отечественных и зарубежных журналах; 3 статьи в сборниках научных трудов и 8 - тезисы докладов конференций.

Вклад автора диссертации в опубликованных работах:

- постановка задач и формулировка основных экспериментальных и теоретических методов их решения;

- участие в создании экспериментальных установок и проведении экспериментальных исследований;

- анализ полученных результатов и их интерпретация.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 191 страницу, включая 7 таблиц и 46 рисунков. В конце диссертации приведен список публикаций автора из 31 наименования и список цитированной литературы из 213 наименований.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, определены основные цели и задачи работы, приведены методы и объекты исследования, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлены результаты исследования распределения магнитного поля в сверхпроводящей пластине, помешенной в магнитное поле, перпендикулярное ее плоскости. Для изучения распределения поля использовался парамагнитный зонд, который двигался по поверхности сверхпроводника с помощью специального устройства, сконструированного для перемещения микрозонда внутри проточного криостата, помещенного в резонатор спектрометра ЭПР. Зондом служил кристаллик дифенил-пикрилгидразила (ДФПГ) с линейными размерами ~ 0.1 мм. Величина локального магнитного поля определялась по сдвигу сигнала ЭПР от положения, соответствующего неискаженному сверхпроводником нолю. Зависимость сдвига от положения зонда связана с распределением поля на поверхности сверхпроводника, которое в свою очередь определяется строением магнитного потока внутри образца. В качестве объекта исследования использовался монокристалл УВагСизО* , имеющий форму тонкой вытянутой пластины (соотношение размеров ~ 3 х 1 х 0.1).

Анализ полученных результатов показал, что распределение поля в сверхпроводнике, находящемся в критическом состоянии (Рис.1), в случае перпендикулярной геометрии не может быть описано в рамках модели Бина. Для его вычисления требуется учет тангенциальных компонент внешнего поля, возникающих из-за его искажения сверхпроводящим телом, и искривления вихревых линий внутри сверхпроводника. Полученные экспериментальные данные подтверждают теоретические расчеты Михеенко [5]. Брандта [б] и Клема [7] с соавторами.

Было исследовано распределение магнитного поля в сверхпроводящей пластине, возникающие в результате сложного немонотонного изменения внешнего поля, включающего увеличение поля после охлаждения от 0 до величины, превышающей резонансное поле ДФПГ, а затем

100 -

л

1 о-<

-200

-100

I I

II ¡1

-300

-400

J__._!_,__I_,_I

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

X, мм

Рис. 1: Зависимость сдвига сигнала ЭПР от положения зонда на поверхности кристалла УВа2Си3Ох при Т = 64 К. Штриховые линии соответствуют распределению Вг{х) в модели Вина. Штрих-пунктирная кривая - расчет поля внутри сверхпроводника по формулам работы [6]. Сплошная кривая - расчет поля Вг(х) над плоскостью сверхпроводника (г = 0.15 мм). Вертикальные прямые обозначают края образца.

уменьшение поля до появления сигнала ЭПР. Было обнаружено, что получающееся в этом случае распределение определяется как процессом вхождения вихревых линий в образец, так и выходом их. Характерный максимум на границе раздела областей с различными градиентами плотности вихрей позволяет с высокой точностью определить плотность критического тока.

Изучение перераспределения поля и тока в сверхпроводящей полосе, на которую действует как внешнее поле, так и транспортный ток, проводилось при достаточно высоких температурах, близких к Тс (70 -т- 80К). Это делалось для того, чтобы увеличить отношение плотностей транспортного и критического токов без увеличения транспортного тока, которое может привести к перегреву контактов. Распределение поля в такой ситуации становится асимметричным, что отражает

следующее изменение в распределении тока: граница раздела областей сечения сверхпроводящей полосы с разными направлениями тока смещается от центра к тому краю, где транспортный и наведенный полем токи имеют противоположные направления.

Втора)! глава посвящена изучению распределения поля в плоском кристалле В125г2СаСи-20х в условиях ослабления и полного исчезновения силы пиннинга. При низких температурах (Т < 25 К) распределение имеет все особенности, характерные для критического состояния, включая форму и гистерезис при изменении направления сви-пирования поля. По мере уменьшения плотности критического тока с увеличением температуры разброс полей в сверхпроводнике тоже уменьшается, меняется форма распределения. В переходной области (25 К < Т < 30 К) распределение представляет из себя суперпозицию вкладов от взаимодействия вихревых линий с центрами пиннинга и с экранирующими токами.

При Т > 30К, вплоть до ТОК, распределение имеет колоколообраз-ную форму с максимумом в центре сечения (Рис.2). Такое распределение возникает под действием силы Лоренца со стороны экранирующего тока, которая смещает вихри от края образца к центру. Форма распределения может быть описана в предположении наличия краевого геометрического барьера движению вихревых нитей через боковую поверхность образца в соответствие с теоретическими расчетами Максимова [11] и Зельдова [10] с соавторами. Хорошее согласие расчетов с экспериментальными данными говорит о сохранении краевого барьера и в таких высоких полях (~ 3000Э), хотя очень малый разброс полей в распределении свидетельствует о сильном ослаблении барьера. Математическое моделирование профилей поля, полученных при разных температурах, позволило получить величины нижнего критического

з:

<

с

-2

1

-2

-1

О

X, ММ

1

2

Рис. 2: Зависимость сдвига сигнала ЭПР от положения зонда при Т — 45К. (□) -протяжка поля вверх после охлаждения в нулевом поле; (•) - протяжка поля вниз после охлаждения в поле Нсо = 6600 Э. Кристалл ВЬйг2СаСи:;Ох , Т°П1С* = 8-5 К. Сплошная кривая - расчет по формулам из работы [10].

поля, которые хорошо согласуются с литературными данными.

В третьей главе изложены результаты исследования вихревой динамики в кристаллах УВагСизО* в различных областях фазовой плоскости, полученные с помощью наблюдения за релаксацией захваченного сверхпроводящим образцом магнитного поля. Неравновесное состояние вихревой системы создавалось путем поворота образца по отношению к полю от перпендикулярного положения (Я||с) к параллельному (поле вдоль базисной плоскости). Использовалось два метода наблюдения за изменением захваченного поля. Первый заключался в фиксации в определенные моменты времени положения сигнала микроволнового поглощения, который возникает в результате резкой переориентации вихревых нитей в изменяющемся в процессе релаксации эффективном поле. Второй способ заключался в наблюдении за положением сигналов ЭПР от парамагнитного слоя (ЛФПГ). нанесенного на поверхность образца.

К)

т к'

200

400

800

600

0

I, сек

Рис. 3: Зависимость положения сигнала МВП от времени в кристалле УВа2Си?,Ох (У'121) при разных температурах. Сплошные линии - расчет по формуле Андерсона-Кнма [12], пунктирные кривые - расчет с помощью интерполяционной формулы [13].

находящегося в эффективном поле, которое является суперпозицией внешнего приложенного и захваченного полей. Изменение последнего в ходе релаксации приводит к смещению со временем положения сигналов ЭПР.

Полученные релаксационные зависимости анализировались с использованием двух теоретических моделей: модели крипа магнитного потока Андерсона-Кима и модели коллективного крипа (Рис.3). Из анализа получены температурные зависимости потенциала пиннинга И0 и критического индекса ¡л, который определяется режимом пиннинга вихревой системы. Обнаружено возрастание величины ио с повышением температуры при Т > 20 К, что объясняется изменением распределения энергий активации из-за исключения из него мелких потенциальных ям точечных центров пиннинга, которые при высоких температурах становятся неэффективными. Критический индекс ц проявляет тенденцию к возрастанию с температурой. При низких температурах

(Т < 20 К) он равен ~ 1/7, что соответствует пиннингу одиночных вихрей. При более высоких температурах он возрастает до величин ~ 0.5 - 0.6. Это свидетельствует о постепенном переходе к режиму коллективного пиннинга.

Исследовано влияние периодических изменений внешнего магнитного поля, перпендикулярного захваченному магнитному потоку, на релаксацию магнитного момента сверхпроводника. Показано, что к ускорению релаксации приводит как увеличение диапазона изменения внешнего поля, так и скорости свипированин.

Четвертая глава посвящена изучению вихревой динамики в монокристаллах высокотемпературных сверхпроводников УВагСизО* , Рг2_уСеуСи04, TbBa^CaCujOx и Bi2Sr2CaCu2Ox . Эти материалы обладают разными константами анизотропии и расстояниями между сверхпроводящими плоскостями, и потому в разной степени проявляют двумерные свойства. В приведенном ряду соединений двумерный характер физических свойств становится более выраженным по мере перехода от первого к последнему.

Информацию о режимах движения вихрей в исследованных объектах получалась двумя способами: из анализа зависимости амплитуды микроволнового поглощения от величины возбуждающего тока (падающей на образец мощности) и из температурной и полевой зависимости величины гистерезиса МВП. Последний способ позволяет значительно раздвинуть границы исследованной области полей и температур, так как гистерезис МВП наблюдается практически во всем диапазоне Н и Ту доступных нашей технике измерений.

Исследование зависимости амплитуды МВП от величины возбуждающей СВЧ мощности позволило получить величину критического индекса в ограниченной области фазовой диаграммы Н — Т. В крис-

Рис. 4: Фазовая диаграмма вихревой материи в УВа2Си3Ох . Косыми линиями заштрихована исследованная в данной работе область. Серые области - зоны перехода между разными режимами пиннинга. (Масштаб не соблюдается.)

таллах УВагСизО* в диапазоне полей от 100 до 2000 Э ¡1 изменяется от 0.18 при Т = 16 К до ¡.I = 0,7±0, 2 при температурах 20 - 25 К. Последнее значение критического индекса характерно либо для связок вихрей, поперечник которых больше глубины проникновения А (// = 7/9), либо для случая длины прыжка связки, превышающей постоянную вихревой решетки (ц — 1/2). При понижении температуры величина показателя степени д = 0.18 весьма близка к значению ¡1 — 1/7, полученному теоретически для крипа одиночных вихревых нитей. Эти результаты хорошо согласуются с данными, полученными из анализа релаксации в предыдущей главе.

Анализ зависимости микроволнового поглощения от возбуждающей мощности в монокристаллах Т^ВагСаСигОх и Рг2_уСеуСи04 дал следующие результаты. В Т^ВагСаСи^Ох в диапазоне полей от 100 до 500 Э при температурах от 18 до -30 К величина ц составляет 0.6 ± 0.2,

что свидетельствует о том, что крип вихрей имеет коллективный характер, но остается трехмерным, как и в УВа2СизОх . В кристаллах Рг2_уСеуСи04 при Т = 7К и Н ~ 50Э величина критического индекса такова (/г = 0.14 ± 0.07), что не соответствует ни двумерному, ни трехмерному режимам коллективного крипа. Такое значение ц ближе всего к критическому индексу для коллективного пиннинга одиночного вихря (р = 1/7).

Исследование вихревой динамики в кристаллах УВа2СизОх с помощью измерений гистерезиса микроволнового поглощения показало, что полный переход к режиму ЗБ коллективного пиннинга происходит при Т > 50К во всем диапазоне полей от 100 до 8000Э (Рис.4). При еысоких температурах переход от режима крипа малых связок вихревых нитей к режиму крипа больших связок происходит в полях ~ 2000 Э. При температурах выше 70 К термические флуктуации приводят к ослаблению гистерезиса МВП.

В кристаллах В123г2СаСи20х обнаружен переход к режиму двумерного коллективного крипа в полях Я > 1500 Э и температурах от 8 до 30 К. В более высоких температурах происходит плавление вихревой решетки, и гистерезис МВП обусловлен наличием либо краевого геометрического барьера движению вихревых нитей, либо поверхностного барьера для точечных вихрей.

Для описания формы петли гистерезиса МВП и зависимости ее амплитуды от температуры и магнитного поля развита теоретическая модель, которая учитывает распределение полей и токов по объему сверхпроводника, а также влияние термических флуктуаций.

Анализ формы петли гистерезиса, ее зависимости от поля, температуры и амплитуды модуляции подтверждает предположение о том. что в кристаллах В123г2СаСи20х при температурах от 40 К до Тг и в полях

т, к

Рис. 5: Фазовая диаграмма вихревой материи в В^Ь'ггСаСигОх . Серая область А - область режима коллективного пикнинга двумерных связок. В области В вихревая материя находится в расплавленном состоянии, а захват вихрей осуществляется краевым или поверхностным барьером.

от 0 до 4 кЭ вихревая материя находится в расплавленном состоянии, а гистерезис магнитных свойств определяется задержкой вихрей на краях образца. Область этого состояния показана на фазовой диаграмме Рисунка 5 серой зоной В. Область А является фазой твердого состояния вихревой материи с режимом двумерного коллективного пиннинга.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Основные результаты и выводы

1. Разработан метод исследования распределения магнитного поля вблизи поверхности сверхпроводника с помощью подвижного спинового зонда. Рассчитаны распределения полей внутри тонкой сверхпроводящей полосы и в ее окрестности, показана взаимосвязь этих распределений. С помощью измерений локальных магнитных полей по сдвигу сигнала ЭПР спинового зонда, перемещаемого по поверхности монокристалла ВТСП в форме тонкой вытянутой пластины, получены следующие результаты:

а) Установлено, что распределение магнитного поля в плоских сверхпроводниках II рода при перпендикулярной ориентации внешнего поля существенно отличается от картины, рассчитанной Бином для бесконечно длинного цилиндра в параллельном поле [4]. Показано, что полученное распределение может быть описано в рамках модели, учитывающей неодномерность внешнего поля и его градиентов [5, б, 7].

б) Исследованы эффекты магнитной истории; показано влияние процессов входа и выхода вихрей на профиль магнитного потока в сверхпроводнике при немонотонном изменении внешнего поля.

в) Построено распределение поля в плоском образце сверхпроводника при одновременном включении внешнего магнитного поля и транспортного тока. Показано, что асимметричный характер распределения в этом случае связан с перераспределением индуцированного полем тока в сечении сверхпроводящей платины.

г) Изучена эволюция профиля магнитного потока по мере уменьшения силы пиннинга. Получено распределение поля в сверхпроводнике при нулевом значении плотности критического тока пиннинга. Показано, что в отсутствие объемного пиннинга захват потока осуществляется краевым барьером. При этом форма распределения, характерная для

краевого барьера сохраняется и в полях, существенно превышающих по величине нижнее критическое поле.

2. Исследована вихревая динамика в кристаллах УВа2Си3Ох после создания в них неравновесных условий путем изменения ориентации образца по отношению к внешнему магнитному полю. По зависимости от времени сдвига сигнала ЭПР поверхностного парамагнитного слоя и по эволюции сигнала микроволнового поглощения исследована релаксация магнитного потока. Обнаружен переход от пиннинга одиночных вихрей к коллективному пиннингу при повышении температуры.

3. Обнаружен и исследован скачек поглощения микроволнового поля в кристаллах УВа2СизОх , возникающий вследствие переориентации вихревых нитей по отношению к базисной плоскости. Обнаружена нелинейная зависимость микроволнового поглощения от величины возбуждающей мощности, связанная с коллективными эффектами в динамике вихрей.

4. На основе анализа гистерезиса микроволнового поглощения исследована динамика вихревой системы в монокристаллах УВагСнзО* в широкой области температур и магнитных полей. При температуре 50К обнаружен переход к коллективному пиннингу вихревых нитей, причем в низких полях происходит пиннинг малых связок вихрей, а в более высоких полях - больших вихревых связок. При температурах близких к Тс обнаружено сглаживание потенциальных барьеров пиннинга под действием тепловых флуктуаций, что приводит к резкому уменьшению гистерезиса магнитных свойств.

о. Исследование гистерезиса микроволнового поглощения позволило изучить вихревую динамику в монокристаллах В128г2СаСи20х в большом диапазоне магнитных полей и температур. Обнаружено возникновение режима двумерного коллективного крипа, связанное с слоистой струк-

турой этого вещества.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. В.Е.Катаев. Е.Ф.Куковицкий, Ю.И.Таланов, Г.Б.Тейтельбаум. Эффекты когерентности в спиновой релаксации лантан-стронциевых керамик. Письма в ЖЭТФ, т.48, в.8, с.433-436 (1988).

2. В.Е.Катаев, Е.Ф.Куковицкий, Ю.И.Таланов. Г.Б.Тейтельбаум. Магнитные флуктуации и спиновая релаксация в нормальных и сверхпроводящих лантановых керамиках. Тезисы докладов XXV совещания по Физике низких температур, Ленинград, 25-27 октября, 1988 г.,т.1, с.286-287.

3. В.Е.Катаев, Ю.И.Таланов, Г.Б.Тейтельбаум, Г.А.Емельченко, И.М.Шмытько. ЭПР-спектроскопия сверхпроводящих монокристаллов УВагСизОт-сь Тезисы докладов XXV совещания по Физике низких температур, Ленинград, 25-27 октября, 1988 г.. т.1, с.286-287.

4. В.Е.Катаев, Ю.И.Таланов. Г.Б.Тейтельбаум, Г.А.Емельченко, И.М.Шмытько. Исследование сверхпроводящего состояния реальных монокристаллов У-Ва-Си-О методами магнитного резонанса. Тезисы докладов на I Всесоюзном Совещании по высокотемпературной сверхпроводимости, Харьков, 20-23 декабря 1988 г., т.2, с.66-67.

5. В.Е.Катаев, Ю.И.Таланов, Г.Б.Тейтельбаум, Г.А.Емельченко, И.М.Шмытько. Исследование магнитных и сверхпроводящих свойств монокристаллических редкоземельных металлоксидов методом ЭПР. Сб.научн.трудов "Радиоспектроскопия кристаллов с фазовыми переходами" - Киев, ИПМ АН УССР, 1989, с.144-147.

6. В.Е.Катаев, Е.Ф.Куковицкий, Ю.И.Таланов, Г.Б.Тейтельбаум. Магнетизм и спиновая релаксация соединений La2Cu04 стронцием и гадолинием. Сб.научн.трудов "Радиоспектроскопия кристаллов с фазовыми переходами" - Киев, ИПМ АН УССР, 1989, с.147-151.

7. Kataev V.E.,Kukovitski E.F.,Talanov Yu.I., Teitel'baum G.B. Magnetic resonance studies of critical phenomena in lanthanum- strontium superconductors. In: Progress in High Temperature Superconductivity (World Scientific, Singapore), 1990, v.22, 303-305. (Proceedings of the Beijing international conference on high-Tc superconductivity, Beiging, China, September 4-8, 1989, edited by Z.X.Zhao, G.J.Cui and R.S.Han).

8. Е.Ф.Куковицкий,С.Г.Львов, Ю.И.Таланов, Г.Б.Тейтельбаум, В.А. Шустов. Исследование двойниковой структуры сверхпроводящих монокристаллов Y-Ba-Cu-О методом ЭПР. Письма в ЖЭТФ, т.51, в.1, с.61-64 (1990).

9. Е.Ф.Куковицкий, С.Г.Львов, Ю.И.Таланов, Г.Б.Тейтельбаум, Р.И. Хасанов. Кинетика низкополевого поглощения в монокристаллах YBa2Cu30x. Тезисы докладов на III Всесоюзном Совещании по Высокотемпературной сверхпроводимости, Харьков, 15-19 апреля 1991 г., т.З. с.49-50.

10. R.I.Khasanov, E.F.Kukovitskii, S.G.L'vov, Yu.I.Talanov,

G.B.Teitel'baum. The effect of flux kinetics in the microwave absorption of YBaCuO single crystal. In Proceedings of Soviet-German Bilateral Seminar on Rare-Earth Materials, Kazan, September 17-20, 1991, p.60-61.

И. Е.Ф.Куковицкий. С.Г.Львов, Ю.И.Таланов, Г.Б.Тейтельбаум, Р.И. Хасанов. Эффекты крипа потока в микроволновом поглощении

монокристаллов YBa2Cu30x. Письма в ЖЭТФ, т.54, в.6, 342-345

(1991).

12. G.B.Teitel'baum, E.F.Kukovitsky, S.G.L'vov, Yu.I.Talanov, R.I.Khasanov. The effect of flux kinetics in the microwave absorption of YBaCuO single crystals. Physica C, 185-189, 2369-2370 (1991).

13. Ю.И.Таланов, Г.Б.Тейтельбаум, Р.И.Хасанов, Е.Ф.Куковицкий, С.Г. Львов. Микроволновая спектроскопия вихревой решетки в монокристаллах YBaCuO. Тезисы докладов XXIX совещания по Физике низких температур, Казань, 30 июня - 4 июля 1992 г., т.1, с.34.

14. Ю.И.Таланов, Г.Б.Тейтельбаум, Р.И.Хасанов. Коллективный характер крипа потока по данным микроволнового поглощения в монокристаллах YBa2Cu30x. Письма в ЖЭТФ, т.55, в.8, 455-459

(1992).

15. С.Г.Львов, Ю.И.Таланов, Р.И.Хасанов, В.А.Шустов. Микроволновые свойства монокристаллов YBaCuO и их корреляция с поведением сопротивления и восприимчивости в окрестности сверхпроводящего перехода. Сверхпроводимость: физика, химия, техника, т.6, в.6, 1175-1188, 1993.

16. G.B.Teitel'baum, Yu.I.Talanov, R.I.Khasanov. The manifestation of vortex-glass state in the microwave absorption of high-Tc superconductors. Physica B, 1994, v.194-196, p.1901-1902.

17. Yu.I.Talanov, G.B.Teitel'baum, R.I.Khasanov. The collective nature of a flux creep in high-Tc superconductor УВагСизО* as observed in microwave absorption experiments. Z.Phys.B, 1994, v.93, n.2, p.189-194.

18. R.I.Khasanov, Yu.M.Vashakidze, Yu.I.Talanov. ESR investigation of the superconducting critical state in YBaCuO single crystals. Physica C, 1993, 218. n.1/2, 51-58.

19. Р.И.Хасанов, Ю.И.Таланов, Г.Б.Тейтельбаум, М.П.Кулаков, М.Бринкман, К.Вестерхольт. Эффекты коллективного пиннинга в микроволновом поглощении монокристаллов ТЬВагСаСг^Ох и Рг2_уСеуСи04. Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1994, 7(2), 251-258.

20. R.I.Khasanov, Yu.I.Talanov, G.B.Teitel'baum, M.P.Kulakov, M.Brinkmann, K.Westerholt. Effects of collective flux pinning in microwave absorption of high-Tc single crystals. Abstracts of XXVII Congress AMPERE (Kazan, August 21-24,1994), p.975-976.

21. G.B.Teitel'baum, R.I.Khasanov, Yu.I.Talanov. The ESR-tomography of a critical state in high-Tc superconductors. Abstracts of XXVII Congress AMPERE (Kazan, August 21-24,1994), p.1006.

22. Вашакидзе Ю.М., Таланов Ю.И., Тейтельбаум Г.Б., Хасанов Р.И. Исследование критического состояния сверхпроводящей пластины в перпендикулярном магнитном поле методом подвижного спинового зонда. Сверхпроводимость: физика, химия, техника,- 1994.-Т.7.- С.672-677.

23. R.I.Khasanov, Yu.I.Talanov, Yu.M.Vashakidze, G.B.Teitel'baum. The critical state of superconducting strip in perpendicular magnetic field as revealed by moving ESR-probe. Physics C, 1994, 235/240, 29352936.

24. R.I.Khasanov, Yu.I.Talanov, Yu.M.Vashakidze, G.B.Teitel'baum. Critical state of an YBaCuO strip in a perpendicular magnetic field

as revealed by a scanning ESR-probe. Physics C, 1995, 242, 333-341.

25. Р.И.Хасанов, Г.Б.Тейтельбаум, Ю.И.Таланов. Профиль магнитного потока в плоском сверхпроводнике с током в перпендикулярном магнитном поле: исследование с помощью подвижного спинового зонда. СФХТ, т.8, в.4, 621-633 (1995).

26. R.I.Kha-sanov, Yu.I.Talanov, G.B.Teitel'baum. Study of geometrical surface barrier in Bi2Sr2CaCu20x single crystal by scanning spin probe. Czech.J.Phys. 46(1996), S3, 1537-1538.

27. R.I.Khasanov, Yu.I.Talanov, W.Assmus, and G.B.Teiterbauin. Crossover from bulk pinning to geometrical barrier in a BiSrCaCuO single crystal as revealed by a scanning ESR-probe method. Phys.R.ev.B, 54, n.17 (1996) 13339.

28. Yu.Talanov, T.Shaposhnikova, Yu.Vashakidze, R.Khasanov. Vortex Phase Diagram in УВа2Си.зОх and Bi2Sr2CaCu20y via the MMWA Hysteresis. Physica C, 282-287 (1997), 2159.

29. Yu.Talanov, T.Shaposhnikova, Yu.Vashakidze, R.Khasanov.

The irreversible microwave absorption as a probe of vortex state in oxide superconductors. J.Phis.Chem.Solids, 1997 v.59 p.2166.

30. T.Shaposhnikova, Yu.Vashakidze, R.Khasanov and Yu.Talanov. Peculiarities of the vortex dynamics in YBaiCujOx single crystals as revealed by irreversible microwave absorption. Physica С 300, (1998) 239-249.

31. Khasanov R.I., Yu.I.Talanov and G.B.Teitel'baum. The Scanning ESR-Microprobe Studies of the Flux Distribution in the Type-II Superconductors. Appl.Mag.Res. 14 (1998) 473-487.

Список цитированной литературы

[1] Blatter G., Feigel'man M.V., Geshkenbein V.B., Larkin A.I., Vinokur V.M. Rev.Mod.Phys.- 1994.- V.66.- P.11'25.

[2] Трунин M.P. УФН.- 1998.- т.168, в.9.- c.931-952.

[3] Yeh N.-C. Phys.Rev.B.- 1991.- v.43, n.l.- p.523-531.

[4] Bean C.P. Rev.Mod.Phys.-1964.-Y.36, N.l.- P.31-39.

[5] Mikheenko P.N., Kuzovlev Yu.E. PhysicaC.- 1993.- V.204.N.2.- P.229.

[6] Brandt E.H., Indenbom M.V. Phys.Rev.B.-1993.- V.48.- P-12893.

[7] Zeldov E., Clem J.R., McElfresh M., Darwin M. Phys.Rev.B.-1994.-Y.49, N.14.- P.9802-9822.

[8] Brandt E.H. Rep.Prog.Phys.-1995.- v.58, n.ll.- p.1465-1594.

[9] Елистратов A.A., Максимов И.Л. ФТТ.- 2000.- т.42, в.2.- c.196-201.

[10] Zeldov E., Larkin A.I., Geshkenbein V.B., et al. Phys.Rev.Lett.-1994.-V.73, N.10.- P.1428-1431.

[11] Максимов И.Л., Елистратов A.A. Письма в ЖЭТФ,- 1995,- Т.61, Вып.З.- С.204-208.

[12] Anderson P.W., Kim Y.B. Rev.Mod.Phys.- 1964.- V.36, N1.- P.39.

[13] Ycshurun Y., Malozemoff A.P., Shaulov A. Rev.Mod.Phys.- 1996.-V.68, N.3.- P.911-949.