Особенности электромагнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

0.1 Введение

1 Квантовый крип

2 Влияние анизотропии на магнитные свойства ВТСП

3 Эффект Холла в смешанном состоянии

4 Макроскопические вопросы динамики смешанного состояния

5 Геометрический и поверхностный барьер в высокотемпературных сверхпроводниках

6 Флуктуационное притяжение вихрей в анизотропных сверхпроводниках

7 Плавление вихревой решётки

8 Фазовый переход в квазидвумерой решётке

Магнитное поле проникает в сверхпроводники второго рода в виде абрикосов-ских вихревых нитей [1], каждая из которых несёт квант магнитного потока Ф0 = /гс/2е ~ 2 • 10~7Гссм2. Электромагнитные свойства, получающегося смешанного или абрикосовских состояния определяются свойствами вихрей. Например, электрический ток, текущий по сверхпроводнику, приводит к силе Лоренца Гь = (Фо/с^ х п (п-единичный вектор вдоль вихря), действующей на вихри. В сверхпроводнике без дефектов единственной силой, уравновешивающей силу Лоренца, является сила вязкого трения = —г)лг. Движение вихрей приводит к электрическому полю Е = В х у/с. В результате, идеальный сверхпроводник в смешанном состоянии не обладает главным сверхпроводящим свойством - нулевым сопротивлением. К счастью, дефекты кристаллической решётки приводят к пиннингу (зацеплению) вихрей. При этом сила Лоренца уравновешивается силой пиннинга /ргп и электрическое поле становится равным нулю. Увеличение тока выше критического значения ]с приводит к отрыву вихрей от центров пиннинга и к возникновению сопротивления. Таким образом, сопротивление и критический ток сверхпроводника в магнитном поле определяются взаимодействием вихрей с неоднородностями материала.

В обычных сверхпроводниках, где флуктуации малы, магнитные свойства очень хорошо описываются в рамках фазовой диаграммы Абрикосова [1], полученной в приближении среднего поля. Согласно этой Я — Т диаграмме (рис.1) сверхпроводник в слабых полях, ниже первого критического поля НсЛ, находится в мейсснеровском состоянии. В этом состоянии магнитное поле не проникает в сверхпроводник. В полях выше Нс\, в смешанном состоянии, вихри образуют треугольную рещётку. С увеличением магнитного поля расстояние между вихрями уменьшается, и при втором критическом поле происходит фазовый переход второго рода в нормальное состояние.

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости Беднорцем и Мюллером в 1986 году [2] привело к возникновению новой области в физике твёрдого тела и в науке о вихрях. В результате особых свойств высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) их поведение в смешанном состоянии качественным образом отличается от поведения обычных сверхпроводников. Высокая температура перехода Тс, сильная слоистость соединений и малая длина когерентности £ приводят к тому, что флуктуации в ВТСП (тепловые и квантовые) нельзя считать слабыми. Сила этих флуктуаций определяется параметром Гинзбурга [3] (Тс/(е - параметр анизотропии сверхпроводника ) и квантовым сопротивлением <3и = (е2/К)(рп/е£) (Рп ~ нормальное сопротивление). В то время, как в классических сверхпроводниках а ~ Ю-8, С}и ~ Ю-3, вышеуказанные

I1 я

Рис. 1: Магнитная фазовая диаграмма обычных сверхпроводников II рода. особенности параметров ВТСП приводят к значительно большей величине параметра Гинзбурга а ~ Ю-2 и квантового сопротивления С^и ~ Ю-1 [4].

В результате тепловых флуктуаций магнитная фазовая диаграмма ВТСП (рис. 2 ) существенно отличается от классической фазовой диаграммы Абрикосова (рис. 1). Вихревая решётка плавится, и в значительном интервале магнитных полей и температур абрикосовские вихри образуют жидкость. Ниже линии плавления сверхпроводник находится в состоянии вихревого стекла. Сильные тепловые флуктуации приводят к гигантскому крипу магнитного потока, а квантовые флуктуации к заметному движению вихрей при сверхнизких температурах - квантовому крипу. Сильная анизотропия ВТСП приводит к специфическим угловым зависимостям магнитных свойств, а слоистость этих соединений - к дополнительным фазовым переходам.

Основной целью диссертационной работы является построение теоретического описания необычных электромагнитных свойств ВТСП.

Научная новизна и достоверность. Основные результаты, положенные в осо тс т

Рис. 2: Магнитная фазовая диаграмма высокотемпературного сверхпроводника. нову диссертации, получены впервые, а её научные положения и выводы обоснованы, во-первых, согласием теоретических выводов с экспериментальными результатами, во-вторых, более поздними расчётами других авторов, и в-третьих, взаимным согласованием полученных результатов с выводами, полученными другими авторами в рамках известных ранее более простых моделей.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Построена теория квантового коллективного крипа вихрей. Сосчитана релаксация намагниченности. Показано, какие параметры ВТСП приводят к сильному квантовому крипу в этих соединениях.

2. Получена зависимость евклидова действия от тока для различных режимов коллективного крипа.

3. Предложена процедура анизотропного рескейлинга, позволяющая получить ответы для анизотропного сверхпроводника с помощью простого преобразования результатов, полученных для изотропного случая.

4. Получены угловые зависимости для линии плавления вихревой решётки, угловая зависимость сопротивления, критических токов, барьеров для движения вихрей.

5. Приведены аргументы в пользу того, что пиннинг не влияет на холлов-скую проводимость.

6. Построена теория, объясняющая двойную смену знака эффекта Холла, наблюдающуюся в ВТСП.

7. Показано, что пик поглощения слабого переменного поля объясняется размерным скин-эффектом.

8. Получена временная зависимость проникновения магнитного поля в образец в режиме сильно нелинейного крипа.

9. Показано, что отклик сверхпроводника в режиме релаксирующего критического состояния характеризуется универсальным сопротивлением, зависящим от геометрии образца и времени старения критического состояния, но не зависящим от параметров сверхпроводника.

10. Найден и изучен новый механизм гистерезиса намагниченности для образцов плоской формы - "геометрический" барьер.

11. Получены температурная и временная зависимости кривых намагничивания, определяемых крипом через поверхностный барьер.

12. Найден новый, флуктуационный механизм притяжения между вихрями на больших расстояниях. Изучено влияние этого механизма на вихревую фазовую диаграмму вблизи первого критического поля.

13. Получены выражения для линии плавления вихревой решётки в слабых полях в сильно слоистых сверхпроводниках.

14. Проведен расчёт скачков термодинамических величин на линии плавления вихревой решётки.

15. Предложен новый механизм гистерезиса при фазовом переходе 1-го рода в стекольное состояние.

16. Показано, что вязкая вихревая жидкость может быть запиннингована относительно слабым беспорядком.

17. Показано, что в сильно слоистых сверхпроводниках происходит фазовый переход, связанный с диссоциацией пар - вакансия - междоузлие.

Практическая ценность работы. Результаты, полученные в настоящей диссертационной работе, широко используются для обработки эксперимента и при оценке возможности практического применения ВТСП.

Апробация работы. Результаты представленных в диссертации исследований были представлены и докладывались:

На конференциях:

M2-HTSC-III, Материалы и механизмы сверхпроводимости, Каназава, Япония 1991, Совещание по фундаментальным проблемам физики вихрей, Палезо, Франция 1994, Международный семинар "Сверхпроводящее состояние и транспортные явления в сильных магнитных полях", Цукуба, Япония-1995, Мартовская конференция АФО, Сан-Хозе, США-1995, Евроконференция - "Динамические свойства новых сверхпроводников", Турин, Италия-1995, Международная конференция "30 лет ИТФ им. Л.Д. Ландау", Москва-1995, Гордоновская конференция по сверхпроводимости Ле Диаблере, Швейцария-1995, Вторая конференция по недавним достижениям в статистической теории поля, Триест, Италия-1996, Международное совещание по вихревой динамике в ВТСП, Шо-реш, Израиль-1996, M2-HTSC V, Материалы и механизмы сверхпроводимости, Пекин, Китай-1997, Хьюстон, США-2000, Международное совещание по вихревой физике в ВТСП, Стэнфорд, США-1999, Мартовская конференция АФО, Миннеаполис, США-2000.

На научных семинарах в:

ИТФ РАН, Высш. Техн. Школе, Цюрих, Базельском, Женевском университете, Лейденском университете, Университете Карлсруэ, Институте Вейцмана, Калифорнийском технологическом институте, Университетах Принстона, Рат-герса, Санта Барбары, Стэнфорда, Гарвардском университете, МИТ, лабораторий IBM, Bell Lab.

Публикация работы. Основное содержание работы опубликовано в 1990-2000 годах в 27 научных статьях [1-27], приведенных отдельным списком в конце реферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, списка работ соискателя и списка литературы.

9 Заключение

Из представленного цикла исследований, основные результаты которого изложены в статьях [1]-[27], можно сделать следующие выводы:

1. С помощью теории квантового коллективного крипа, построенной автором, видно, что высокое нормальное сопротивление, большая анизотропия, малая длина когерентности и сильный пиннинг приводят к сильному квантовому крипу, наблюдаемому в ВТСП.

2. Выведена зависимость евклидова действия от тока в области малых токов для различных режимов коллективного крипа.

3. Рассмотрено влияние анизотропии на магнитные свойства сверхпроводников. Показано, что с помощью анизотропного рескейлинга можно получить результаты для анизотропного сверхпроводника путём простого преобразования результатов в изотропном случае.

4. Используя идею анизотропного рескейлинга, получены угловые зависимости линии плавления вихревой решётки, сопротивления, критических токов, барьеров для движения вихрей.

5. Сделан вывод о независимости холловской проводимости от пиннинга для широкого класса моделей.

6. Найден гидродинамический вклад в холловскую проводимость, приводящий к двойной смене знака эффекта Холла.

7. Показано, что размерный скин-эффект приводит к пику поглощения слабого переменного магнитного поля при переходе образца в сверхпроводящее состояние.

8. Получена временная зависимость намагниченности образца в режиме сильно нелинейного крипа.

9. Показано, что сверхпроводник в режиме релаксирующего критического состояния характеризуется универсальным сопротивлением, зависящим от времен старения критического состояния и геометрии образца, но не зависящим от параметров сверхпроводника.

10. Найден и изучен "геометрический" барьер - новый механизм гистерезиса намагниченности для образцов плоской формы.

11. Получены временная и температурная зависимость кривых намагничивания, определяемых крипом через поверхностный барьер.

12. Показано, что флуктуации изгиба вихревых нитей приводят к притяжению между вихрями на больших расстояниях. Показано, как это притяжение изменяет фазовую диаграмму сверхпроводника вблизи первого критического поля.

13. Описано поведение линии плавления вихревой решётки в слоистых сверхпроводниках в слабых полях.

14. Получены выражения для скачков термодинамических величин на линии плавления вихревой решётки.

15.

Рассмотрен новый механизм гистерезиса фазового перехода 1-го рода в стекольное состояние.

16. Показано, что вихревая жидкость, обладающая большой вязкостью, может быть запиннингована.

17. Предсказан новый фазовый переход в сильно слоистых сверхпроводниках, связанный с диссоциацией пар - вакансия - междоузлие.

Автор искренне признателен всем соавторам работ, вошедших в диссертацию. Особо хочу поблагодарить А. И. Ларкина, М. В. Фейгельмана, Л. Б. Иоффе, В. М. Винокура, Дж. Блаттера, М. Доджсона, Э. Зелдова за их вклад и помощь на различных этапах представленной работы.

10 Работы, представленные на защиту

1. G. Blatter, V. Geshkenbein, and V. Vinokur. Quantum Collective Creep. Phys. Rev. Lett. 66, 3297 (1991).

2. G. Blatter and V.B. Geshkenbein. Quantum collective creep: Effects of anisotropy, layering and finite temperature. Phys. Rev. В 47, 2725 (1993).

3. M.V. Feigel'man, V.B. Geshkenbein, A.I. Larkin, and S. Levit. Hall Tunneling of Vortices in High Temperature Superconductors. Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 57, 699 (1993), [JETP Lett. 57, 711 (1993)].

4. G. Blatter, V.B. Geshkenbein, and A.I. Larkin. >From Isotropic to Anisotropic Superconducors: A Scaling Approach. Phys. Rev. Lett. 68, 875 (1992).

5. V.M. Vinokur, V.B. Geshkenbein, M.V. Feigelman, and G. Blatter. Scaling of the Hall Resistivity in High-Tc Superconductors. Phys. Rev. Lett. 71, 1242 (1993).

6. V.B. Geshkenbein and A.I. Larkin. Comment of "Hall effect of vortices parallel to CuC>2 layeres and the origin of the negative Hall anomaly in УВа^Си^От-^. Phys. Rev. Lett. 73, 609 (1994).

7. Anne van Otterlo, Mikhail Feigel'man, Vadim Geshkenbein, and Gianni Blatter. Vortex Dynamics and the Hall-Anomaly: a Microscopic Analysis. Phys. Rev. Lett. 75, 3736 (1995).

8. M.V. Feigel'man, V.B. Geshkenbein, A.I. Larkin, and V.M. Vinokur, Sign Change of the Flux Flow Hall Effect in HTSC. Письма ЖЭТФ 62, 811 (1995) [JETP Letters, 62, 834 (1995)].

9. V.B. Geshkenbein, L.B. Ioffe, and A.I. Larkin. Superconductivity in a system with preformed pairs. Phys. Rev. В 55, 3173 (1997).

10. V.B. Geshkenbein, V.M. Vinokur, and R. Fehrenbacher. AC absorption in the high-Tc superconductors: reinterpretation of the irreversibility 1 ine. Phys. Rev. В 43, 3748 (1991).

11. M.V. Feigel'man, V.B. Geshkenbein, and V.M. Vinokur. Flux creep and current relaxation in high-Tc superconductors. Phys. Rev. В 43, 6263 (1991).

12. V.B. Geshkenbein, M.V. Feigel'man, and V.M. Vinokur. Temporal decay and frequency response of the critical state in type II superconductors. Proc. M2S-HTSC international conference at Kanazawa, Physica С 185-189, 2511 (1991).

13. C.J. van der Beek, V.B. Geshkenbein, and V.M. Vinokur. Linear and Nonlinear ac Response in the Superconducting Mixed State. Phys. Rev. B 48, 3393 (1993).

14. E. Zeldov, A.I. Larkin, V.B. Geshkenbein, M. Konczykowski, D. Majer, B. Khaykovich, V.M. Vinokur, and H. Shtrikman. Geometrical Barriers in High-Temperature Superconductors. Phys. Rev. Lett. 73, 1428 (1994).

15. L. Burlachkov, V.B. Geshkenbein, A.E. Koshelev, A.I. Larkin, and V.M. Vinokur. Giant flux creep through surface barriers and irreversibility line in High-temperature superconductors. Phys. Rev. B 50, 16770 (1994).

16. Gianni Blatter and Vadim Geshkenbein. Van der Waals attraction of Vortices in Anisotropic and Layered Superconductors. Phys. Rev. Lett. 77, 4958 (1996).

17. G. Blatter and B. Geshkenbein. Van der Waals Attraction of Vortices in Superconductors. Proceedings of the M2S HTSC V conference in Beijing, March 1997.

18. E. Zeldov, D. Majer, M. Konczykowski, V.B. Geshkenbein, V.M. Vinokur, and H. Shtrikman. Thermodynamic observation of first-order vortex-lattice melting transition in Bi2Sr2CaCu2Os. Nature 375, 373 (1995).

19. G. Blatter, V.B. Geshkenbein, A.I. Larkin, and H. Nordborg. Low-Field Phase Diagram of Layered Superconductors: The Role of Electromagnetic Coupling. Phys. Rev. B 54, 72 (1996).

20. M.J.W. Dodgson, A.E. Koshelev, V.B. Geshkenbein, and G. Blatter. Evaporation of the Pancake-Vortex Lattice in Weakly Coupled Layered Superconductors. Phys. Rev. Lett. 84, 2698 (2000).

21. Matthew J.W. Dodgson, Vadim B. Geshkenbein, Henrik Nordborg, and Gianni Blatter. Characteristics of First-Order Vortex Lattice Melting: Jumps in Entropy and Magnetization. Phys. Rev. Lett. 80, 837 (1998).

22. Matthew J.W. Dodgson, Vadim B. Geshkenbein, and Gianni Blatter. Defect-Unbinding Transition in Layered Superconductors. Phys. Rev. Lett. 83, 5358 (1999).

23. V.B. Geshkenbein, L.B. Ioffe, and A.I. Larkin. Nature of Hysteresis in Glass Transition of the First Order. Phys. Rev. B 48, 9917 (1993).

24. V.B. Geshkenbein, L.B. Ioffe, and A.I. Larkin. Hysteresis in vortex glass transition of the first order. Physica A 200, 278 (1993).

25. V.M. Vinokur, M.V. Feigel'man, V.B. Geshkenbein, and A.I. Larkin. Resistivity of High-Tc superconductors in a vortex liquid state. Phys. Rev. Lett. 65, 259 (1990).

26. B.M. Винокур, M.B Фейгельман, В.Б. Гешкенбейн и А.И. Ларкин. Пин-нинг вихревой жидкости в ВТСП. ЖЭТФ 100, 1104 (1991), Sov. Phys. JETP 73, 610 (1991)].

27. G. Blatter, M.V. Feigel'man, V.B. Geshkenbein, and V.M. Vinokur. Vortices in high temperature superconductors. Rev. Mod. Phys. 66, 1125 (1994).

1. А. А. Абрикосов , ЖЭТФ 32, 1442 (1957).

2. J. G. Bednorz, and К. A. Miiller, Z. Phys. 64, 189 (1986).

3. В. Л. Гинзбург, ФТТ 2, 2031 (1961).

4. G. Blatter, М. V. Feigel'man, V. В. Geshkenbein, A. I. Larkin, and V. М. Vinokur , Rev. Mod. Phys. 66, 1125 (1994).

5. Anderson, P. W., Phys. Rev. Lett 9, 309 (1962).

6. В. Б. Гешкенбейн, А. И. Ларкин, ЖЭТФ 95, 1108 (1989).

7. А. В. Митин, ЖЭТФ 93, 590 1987].

8. А. С. Mota, P. Visani, and A. Pollini, Phys. Rev. В 37, 9830 (1988).

9. A. C., Mota, A. Pollini, P. Visani, K. A. Miiller, and J. G. Bednorz, Phys. Scr. 37, 823, (1988).

10. R. Griessen, J. G. Lensink, Т. A. M. Schroder, and B. Dam, Cryogenics 30, 563 (1990).

11. L. Fruchter, A. P. Malozemoff, I. A. Campbell, J. Sanchez, M. Konczykowski, R. Griessen, F. Holtzberg, Phys. Rev. 43, 8709 (1991).

12. A. C. Mota, A. Pollini, G. Juri, P. Visani, and B. Hilti, Physica A 168, 2981990).

13. И. M. Лившиц, Ю. M. Каган ЖЭТФ 62, 385 (1972).

14. С. В. Иорданский, А. М. Финкельштейн, ЖЭТФ 62, 403 (1972).

15. С. G. Callan,, and S. Coleman, Phys. Rev. D 16, 1762 (1977).

16. H. В. Копнин, В. E. Кравцов, Письма в ЖЭТФ 23, 631 (1976).

17. С. Caroli P. G. De Gennes, J. Matricon, Physics Letters 9, 307 (1964).

18. A. O. Caldeira, and A. J. Leggett, Phys. Rev. Lett. 46, 211 (1981.

19. J. Bardeen, and M. J. Stephen, Phys. Rev. 140, A1197 (1965).

20. A. I. Larkin and Yu. N. Ovchinnikov, J. Low. Temp. Phys. 34, 409 (1979).

21. G. Blatter, V. B. Geshkenbein, and V. M. Vinokur, Phys. Rev. Lett 66, 32971991).

22. M. V. Feigel'man, V. B. Geshkenbein, A. I. Larkin, and S. Levit, Письма в ЖЭТФ 57, 699 (1993).

23. Г. Е. Воловик., Письма в ЖЭТФ 15, 116 (1972).

24. J. К. Jain and S. Kivelson, Phys. Rev. A 36, 3467 1987.

25. J. K. Jain and S. Kivelson, Phy s. Rev. В 37, 4111 (1988).

26. А. И. Ларкин Ю. H. Овчинников, Письма в ЖЭТФ 37, 322 (1983).

27. Н. Grabert and U. Weiss, Z. Phys. В 56, 171 (1984).

28. G. Blatter and V. B. Geshkenbein, Phys. Rev. В 47, 2725, (1993).

29. M. V. Feigel'man, V. B. Geshkenbein, A. I. Larkin, and V. M. Vinokur, Phys. Rev. Lett. 63, 2303, 1989.

30. G. Blatter, V. В. Geshkenbein, and A. I. Larkin, Phys. Rev. Lett. 68, 875, (1992).32 33 [34 [3536