Проникновение переменного магнитного поля в неоднородные высокотемпературные сверхпроводники тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

На правах рукописи НЕМИНСКИЙ Александр Михайлович

ПРОНИКНОВЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В НЕОДНОРОДНЫЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЕРХПРОВОДНИКИ

Специальность 01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1991

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте физики твердого тела АН СССР.

Научный руководитель: профессор, доктор физико-математических паук В. Ф. Гантмахер

Официальные оппоненты:

член-корреспондент АН СССР И. Ф. Щеголев, член-корреспондент АН СССР Г. М. Элнашберг

Ведущая организация:

Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов АН СССР

Защита состоится « ^ » ф&ЖгЪЛА \т$ г. в "У^ час. на заседании специализированного совета Д.003.12.01 при Институте физики твердого тела АН СССР по адресу: 142432, Черноголовка Московской области, ИФТТ АН СССР.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики твердого тела АН СССР.

Автореферат разослан «¿X.» /-4И^'^хЛ [дд^

•года

Ученый секретарь Специализированного совета доктор

физико-математических наук В. Д. Кулаковский

•ф Ордена Ленина Институт химической физики им. П. II. Семенова ЛИ СССР

I ■ . ' ВВЕДЕНИЕ

--."'-^Актуальность темы.. Исследование гранулированных высоко-'емпературных сверхпроводников представляет интерес |сак с 'очки зрения физики сверхпроводимости, так и с точки прения шики гранулированных систем.

Традиционно исследовались гранулированные сверхпроводни-:и, в которых гранулы имели одну и ту же температуру сверх-[роводящего перехода т , а контакты могли быть различными. В юлобных образцах в зависимости от соотношения Между те и е^ джозефсоновской энергии контактов при т=о) -наблюдался целый -яд физических эффектов. В высокотемпературных СЕерхпроводни-ах различными могут быть не только контакты, но и гранулы: емпературы сверхпроводящего перехода гранул могут плавно из-еняться в широком диапазоне температур. Такая система харак-еризуется целым рядом параметров', геометрических (характер-ый размер гранул, контактов) и микроскопических'(длина коге-ентности глубина проникновения поля в гранулы глубина роникновения поля в контакты х^ и так далее). Проникновение агнитного поля в такие образцы при различных соотношениях ежду этими параметрами обусловлено различными физическими влениями.. Так, если разброс в температурах сверхпроводящего ерехода гранул невелик, а размер гранул сравним с X, то шлется возможность изучать температурную зависимость лошюнов-кой глубины проникновения л(т). Эта величина является важной икроскопической характеристикой, исследование которой акту-льно для выяснения вопроса о природе ■ высокотемпературной верхпроводимости. Если размер гранул существенно превышает (0) и между ними образуются сверхпроводящие контакты, то мз-эняя- функцию распределения гранул по т , t-to7.no исоледсвять экономерносги образования сверхпроводящих кластеров. Тсжол ип неоднородных сверхпроводников до сих пор Не йоследпцй.тя потому особенно .интересен.

Цель работы состоит в экспериментальном исслэх'0р"нпн эонякновения переменного магнитного поля в Иеоднороднче т"-?-жотемпературные сверхпроводники. ' '

1

Научная новизна. В настоящей работе с помощью измерений динамической восприимчивости исследовано проникновение магнитного поля в высокотемпературные сверхпроводники. Изучена температурная зависимость лондоновской глубчны проникновения Л(т) в ува2си3о7^б. Впервые исследована х(т) в KBaBio. Показано, что сильное неупругое рассеяние может приводить к неэкспоненциальной зависимости Х(т) при т«тс- Предложен Метод определения функции распределения зёрен по температурам сверхпроводящего пер-хода в(Тс) и изучены закономерности сверхпроводящих переходов в YBa2cu3o7_6 при различных в(тс).

• Научная значимость результатов. Проведённые в работе исследования дают новую информацию с точки зрения физики сверхпроводимости и физики гранулированных сверхпроводников.

Апробация работ». Основные результаты работы, доложены на 26 Всесоюзном совещании по физике низ.ких температур (Донецк 1990), на 1 Советско-Германской школе (Гурзуф тэо), на 19 Международной конференции по физике низких температур (в г iehto n, Sussex 1990), на з Международной конференции по материалам И механизмам СБерХПрОВОДИМОСТИ • (Kirmdsava ,1991),

на международном семинаре памяти Э.Канера (Харьков 1991).

Структура диссертации. Диссертация состоит из семи разделов: . введения, четырёх глав, заключения и , списка литературы. •

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во. введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель, • научная новизна и основные результаты, полученные в работе.

Материал данной диссертации условно можно разбить на две части: исследование лондоновской глубины проникновения магнитного поля и исследование проникновения поля в керамические образцы о различным разбросом зёрен по т . Поэтому обзор литературы лается 'не' в первой главе а состоит двух частей, •Приделанных в начале соответствующих глав (второй и четвёртой ). .

Первая глава является методический, Ьдепь описана ис-

г

пользованная методика исследования.восприимчивости в перемен^

ч ном магнитном поле. , ;

| • \ I

В опытах использовались спрессованные керамические образцы и свободн'о Насыпанные в ампулу порошки высокотемпёра-турных сверхпроводников КВаВЮ и УВаСиО. •

Ампулу с образцом помещали внутрт одной из двух включённых навстречу катушек индуктивности и измеряли сигнал -разба-, -Ланса. Для того чтобы уменьшить фоновый .температурный ход сигнала, катушки были намотаны на- наружной поверхности'• ма- 1 .л^нькогл перевернутого дьюара, находившегося в- жидком гелии1 ; Образец вместе о термометрами и нагревателем был расположен'.' внутри дьюара в газообразном гелии. Чтобы предотвратить появ- ; . ление температурных градиентов на образце, ампула была изго- " ' товлена из монокрг угаллического сапфира. Внутренний диаметр ампулы был 2 мм, высота около 10 мм.Образцы, имели форму ци~ . линдров, значение размагничивающего фактора которых не превы- . шало 0.05, т.е. было пренебрежимо мало. . [ *

ч . Сигнал и, появляющийся при внесений в катушку ампулы обусловлен магни.ным моментом образца ' ' ' .;,

II = И Т.Н, (1) -

где V - объём образца, Н - внешнее магнитное п'оле, 'а х-- вйс}- , приимчивость усреднённая по объёму образць» ' ,

Для калибровки была Измерена' величина нса1 "сигнала, по-..' являющегося при внесении в катушку и при последующем • сверхпроводящем переходе- свинцового, цилиндра,, размерами, совпадаю^ -щими с размерами образца. Это позволило автоматически учесть геометрические факторы, обусловленные соотношением размеров катушки и образца. Соотнося измеряемый сигнал с сигналом от известной восприимчивости -1/4к,- получаем

Фазовое детектирование позволяло измерять одновременно две компоненты сигнала, то есть две компоненты Динамической восприимчивости. В диссертации обсуждается только действительная 'часть х, характеризующая пронигновение магнитного поля в образец.

з

■ 1 Во всех экспериментах проводимость образцов в нормальном состоянии о_ не превышала е-ю3 Ом-1-см"1, так что глубина скин слоя 5=с(2поо)~1/'2 (с - скорость света) всегда была много, больше размеров образца. То есть экранирование переменного поля выше' температуры перехода было пренебрежимо мало. В сверхпроводящем состоянии, вообще говоря, в некоторых случаях наблюдалась слабая зависимость сигнала от частоты. Однако при 'каждой амплитуде н существ;*^ характерная частота сон, ниже которой зэвисимост* х от частоты пропадает. Все приведённые в диссертации результаты относятся к области и<ин_

, Таким образом, во всём диапазоне температур величина х Не зависела от частоты, то есть распределение магнитного поля каяЫый момент времени соответствовало стационарному случаю. ' Использование Синхронного Детектора означает:, что'измеряемая величина х есть средняя за период восприимчивость. Если нелинейные искажения сигнала пренебрежимо малы, т.е. магнитный' момент образца линейно зависит от поля н, то х совпадает о истинной восприимчивостью -1—.

' Во второй главе "Температурная зависимость глубины проникновения магнитного поля в уВа2би3о7_6" сделан обзор теоретически:? и экспериментальных работ, посвященных исследованию лоЬдонбвской глубины проникновения л(т) в ува2си3о7_£. Далее приводятся результаты измерений динамической восприимчивости ультрамелких порошков -УВагСи36?_6 и изучается температурная' зависимость х(т)»' • "• _

Образцы сйсгоям из частиц с одинаковой температурой сверхпроводящего перехода т > 92 к. Контакты между частицами были несущественны, так что магнитное иоле беспрепятственно проникало сквозь контакты. Характерный размер частиц г был меньше глубины проникновения при нулевой температуре х(0).

.В таких образцах диамагнитными свойствами обладают' .только 'частицы, и причиной, наблюдаемой зависимости х(т) является зависимость Х(Т).

Восприимчивость образна связана с поляризуемостью (. воо-трйич-мвость с. учётом размагничивающего фактора- ) частиц и',

1

следующим соотношением

, ' X - а (3) •

V >, ■ ■ ■

При глубине пройикНовения \=0 величина . • • ' .

а = птах = -3/8л ' . : <*>■

Магнитный момент достаточно малг': частиц-о1 характерный

размером г<я с хорошей точностью опйсываетоя'чквадратйчной

функцией '-,''■•' .■''."'

а/а *к<г/Х)г, (&)■

шах .

гле коэффициент к зависит от формы (например, если■ г - радиус шара, то к=1 /15). Отсюда следует, что экспериментально"йзме*'. ряемое отношение ■ '■' ' ■-.■-• ■ ) ^ '

МП.. л.Ш-- Г 2 1 ,-2 . мт) ..„>' I

ТТо) Т(оГ " [.ТГоП - а ь • Л(Т) - Т(оГ .(6) 1

не зависит ни от величины ни от обусловленного формЬй-чао-" тиц коэффициента ь. То, что условие г < * действительно выполняется, подтверждается . 'тем, что величин*}

"(0)/я «1. ; .

га й х ■ , • .1

Экспериментальные результаты свидетельствуют., что -во

всём .интервале температур [4{ог] ■ °тличаетоя от зависимое^'

ти в теории БКШ: , \ ' ■ ■ ,'-■'. \

' во-первых,' наклон ["х|о|"] ■ вблизи то'оказывается .значительно больше, чем в теории БКШ: '• '

во-вторых, при т<тс/2 наблюдается Степенное изменение X о температурой \ •= мо) (1+ут25, совпадающее с наиболее точными результатами других экспериментов, выполненных на монокристаллах и плёнках высокого качества. ■

'Далее проводится сравнение'наблюдаемой зависимости '? (т) о. результатами численного решения уравнений сильной связи длт простой модельной функции Элиэшберга. Экспериментальную зависимость мт) удаётся описать, полагая связь сильной и учтивая неупругое рассеяние электронов. Это можно пояснить стелющим образом.

Производная а(1."г)/<п, где г=т/т., вблизи т'лттрптдч и

сверхпроводящего' перехода является весьма чувствительной к Ееличине константы связи л и потому пригодна для оценок последней. случае УВа2си3о?^б поучается л«<2, то есть связь следует считать сильной.

• Неупругое рассеяние не влияет на величину наклон0 вблизи■ т , но оказывается существенным при низких температурах.Сильное неупругое рассеяние может постепенно■ переводить образец из чистого предела при т=о в грязный (-& - длина свободного пробега. - длина когерентности при т=о). Наличие конечной длины свободного пробега приводит к возрастанию Х(в (i+£o/-C)1/z раз и, соответственно, к степенной зависимости лíт> за счет зависимости £<т)

. Таким образом, неэкспоненциальное изменение х при низких ■ температурах не обязательно свидетельствует о том," что щель обращается в' нуль хотя бы в отдельных точках на поверхности Ферми, а может быть следствием сильного неупругого рассеяния.

• В.третьей главе "Глубина проникновения магнитного поля в KBaöio" приводятся результаты измерений динамической воопри-йАг-швосси ультрамелких порошков квавю и сран 'иваютоя. температурные зависимости лбндоновекой глубины проникновения х(т) В KBafli'o И YBb2Cu30? д. '

-Приведённые во второй главе р*. .ультаты исследования х(т) в YBnCuo вызывают несколько вопросов. Можно ли считать связь сильной й других высокотемпературных сверхпроводникках? На-1

блюдае'гся ли в них степенное изменение ;.(т) вдали от т ? Яв-<, » . с ляется ли именно неупругое рассеяние причиной неэкспоненциального поведения К при т<т /2 в УваСиО ? Почему такое пове-

i 0 дение х никогда не наблюдалось в. традиционных сверхпроводниках?

Срччненйе зависимостей Хп7 n YBnCuo и квавю помогает ответить на эти вопросы.■ .

Как и в предыдущей глади, образцы- состояли из частиц , характерный размер которых был меньше Х(о). Магнитное поле беспрепятственно проникало сквозь контакты. Но В- отличие от ' Убясчо имелся разброс, т лля различных Частиц. Введя функций

е'

распределен"Я температур перехода в(т), получим вместо-(б)1

Х(Т

X

= г) ь"г(т/ч) а» , (7)

т

Согласно теории , функция 1~г имеет конечную производную при т=т0, в некотором интервале дт эта производная постоянна

(т.е. ь~г(т) г р(Тс-Т) ). Если эффективная ширина разброса г

< дт « о.15Тс, то в (7) вместо ь"г можно подставить ри~т) и тогда - • : •

, ,2 Г Х<Т)-.

*<т> = Т-Ы-хТог]' : <8>

* Г *(т> 1 ,

а максимум модуля производной о = —I ^¡у I ■ определяет- вёли.-

чину константы связи Л. В нашем ел; чае г - дт. Поэтому п дает лишь оценку для л снизу. Из эксперимента получается л.> 1.

Для'более точного сравнения мы взяли в(т) в виде-нормального распределения Гаусс., ,

в(т) = (2п)'и2 т'1 ехр [-(Т-То)г/2Т2] (Я)

и нашли значения параметров л. т и т , обеопечиваетцие согласие с Экспериментальными данными. При этом оказалось, .что для всех образцов л - г, как и в олучае увасио.

Для того, чтобы' описать экспериментальную кривую для УВаСиО, пришлось ввести в функцию Элиашберга акустйческук ветвь, то есть неупругое рассеяние. Для квав10 оказалось-воз-моченым ограничиться лишь оптической ветвью, то есть при низких температурах экспериментальная зависимость мт) описывается традиционным экспоненциальным законом. „ ' . , ...

Большая вьличина Л означает, что мы имеем дело с единой квантовой, системой "электроны плюс рыетка", имеющей две ветви возбуждений: электронную по щелью и бесщелевую фононнукь Наличие бесир левой ветви и является источником степенных поправок к термодинамическим'параметрам системы при-низких температурах1. Эти поправки тем больше, чем больше константа с~я-зи л и. Ч( д-больше отношение темпер птурИ сверхпроводящего' пе -ре.чода т0 к лебэевбкой Р. Зчиетим,что параметры л, о » -т следует считать независимыми. В двух сверхпроводниках соли-

, на-ковыми л и е температуры-перехода т. могут быть различны, например,; из-8а различия во взаимодействии о оптическими вет

КЙМИ.

';" Дебаёвские температуры для. обоих соединений должны быть примерно одинаковыми, в то время как температура сверхпроводящего перехода в Квавю приблизительно в з раза меньше, чем

В УВаСиО. •

Зависимость от отношения тс/б можно пояснить следующим образом. Большая л означает сильное раосеяние на тепловых фо-нонэх.. Поскольку количество тепловых фононов при данном т пропорционально е~3, эффект может иметь заметную величину дашь при достаточно больыом т„, практически при т^е. ОтношеНие т/о входйт в величину степенной добавки дх в высокой степени. поскольку величина -С в множителе есть тран-, опортнэн длина рассеяния,. Поэтому даже значение т /е ~ о.з делает невозможным надёжно выделить степенную поправку на фоне экспоненциального члена, по крайней мере, при нашей точности -'эксперимента. Этим объясняется, почему вопрос о степенных добавкзх к Х(т) никогда не воз,н!}кал для обычных оверхпровод-,ников. I

Отсутствие степенного изменения ,Х(т) в КБаВ1о косвенно подтверждает, что причиной такого поведения мт) в УВаСиО является неунругое рзссеяни».

Б четвёртой главе "Перколяционная структура керамичеЪко-го сверхпроводника ува2си3о7_5" изучаются закономерности образования сверхпроводящих кластеров.

В начале главы приводится об^пр литературы, посвященной ' исследованию неоднородных сверхпроводников, далее следуют описание эксперимента, результаты и обсуждение.

Образцы состояли из частиц, характерный размер которых был того больше глубины проникновения мо)«<15оо X. У частиц имелся разброс температур сверхпроводящего перехода. При этом неравенство позволяет считать, что переход сверхпроводящее соотояние каждого отдельного, зерна не связан О' состояниями окружающих зёрен. Контакты могли экранировать.

поле или Не препятствовать его проникновению, в зависимости от амплитуды переменного поля. Кроме этого, исоледовались образцы керамики с добавлением \е, в которых серебро обволакивает зёрна и уменьшает'сопротивление контактов в нормальном состоянии. •''•■■

Исходный образец с узким переходом при т <» эг к подвергался последовательным ваку,гмным отжигам. Каждый отжиг приводил к уменьшению содержания кислорода ц к нЬвой функции распределения зёрен по- температурам перехода е(тс). После каждого отжига проводилась серия измерений температурной зависимости динамической восприимчивости при различных амплитудах переменное поля н от г-ю"4 Э до 40 Э.

На каждом этапе вся серия кривых у(т)=-4пх(т) располагалась между двумя предельными кривыми: верхней ym'(т)- при малых н и нижней у'21(т) при больших н. При малых н увеличение амплитуды поля не влияло на восприимчивость' y'1' (т), далее восприимчивость уменьшалась и при больших н достигала нижней предельной кривой y12)(t), когда дальнейшее увеличение пояя не изменяло значения восприимчивости.

Рассмотрим -'ижнюю предельную кривую. Даже самые большие из применявшихся амплитуд недостаточны для проникновения вихрей в зёрна. Очевидно, что при больших н, на нижней предель? ной кривой разорваны все связи, то есть поле беспрепятственно проникает в контакты. В этом случае диамагнитный сигнал обусловлен объёмной концентрацией сверхпроводящих зёрен vCt).'

YtZ>(T) » v(T). ' • (.10)

Более точное определение v проводится в приближении среднего поля с учётом размагничивающего фактера зёрен и конечной глубины проникновения X. Дифференцируя v по т, находим функцию " распределения зёрен по температурам сверхпроводящего перехода 1 g(T ). По мере удаления кислорода .из образца s(Tr) плавно смещается1 от лгк до зок. При этом в окрестности эгк и «ок g(T ) существенно уже, -мем при промежуточных температурах:

Рассмотрим верхнюю предельную кривую. При понижении тем- i пературн y!1'(t) сначала, совпадает с y'я'(т). патл** на верх-

ч

(ней предельной кривой наблюдается излом и при более низких температурах у'11(т) > усг)(т). Пос ольк> понижение темпера-турй сопровождается увеличением V, то можно ввести вмеото т новую переменную V. Тогда пгм малых *<ол в образце имеются отдельные'зёрна', при у*6л наблюдается излом, связанный с началом образования' кластеров, а при дальнейшем увеличении V объём," экранируемый кластерами, превосходит объём Ьверхпрово-янших зёрен. Бри этом излом на верхних предельных кривых наблюдается всегда при одном и том же значении V »0.1. Это позволяет Предполагать, что в "задаче имеется только одна переменная у, и зависимость у'1'(у) должна быть универсальной для всех реализаций к(Тс).

Если ввести магнитную проницаемобть ц усреднённую по • объёму вке сверхпроводящих зёрен, то

У(15(Т) = 1-(1-у)ц (11)

Йз эксперимента следует, что для всех реализаций в(т )

1п м - МУ - V )1/2, (12)

о

но с различным коэффициентом ь. Отсутствие универсальной зависимости означает, что т, контактов может быть

Меньше температур • сверхпроводящего перехода образующих "их зёрен. -

Чтобы выяснить роль контактов, аналогичные измерения были проведены на керамике з добавлением а6. Известно, что, обволакивает зёрна, уменьшая сопротивление контактов В нормальном состоянии, то есть увеличивая е^. Тем не менее даже в этом случае зависимость)12) осталась точно такой же: большие значения к Для более узких к(То). йтй означает, что задача не является чисто перколяционной, а .по-видимому, имеют место коллективные эффекты для которых разброс температур сверхпроводящего 'перехода зёрен более важен, чем характерные энергии дт.озефсоновских контактов.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Измерения динамической восприимчивости ультрамелких порошков (ь < МО)) позволяют точно определить температурную зави-

1о

симость лондоновской глубины проникновения Х(Т).

2. Измерена зависимость \'(т) в уВа2Си3о7_д. Подтверждено от-1 личие от зависимости в теории БКШ и наличие степенного закона в \(т) при т«тс.

3. Впервые измерена зависимость \(т) в квавш, которая также отличается от зависимости в теории БКШ, но при т«т наблюда-етоя традиционное экспоненциальное поведение мт).

4. Сравнение с результатами численного расчёта показывает, что зависимость А(т) в ува2си3о7_5 и квавю хорошо опиеывает-ся уравнениями сильной связи. Представление о величине константы связи а можно по,пучить измеряя производную (1Г2 )/<П, где г=т/т , вблизи температуры сверхпроводящего перехода г-1. Для обоих соединений д»<2.

5. Степенная зависимость л.(т) при т«т не обязательно свидетельствует об обращении щели в нуль, а может возникать вслед -ствии неупругого рассеяния.

6. Сравнение жт) в ува2Си3о__б и квавю при т < тс/2 подтверждает, что причиной неэкспоненциального повеления мт) в УВп2си3о7_5 является неупругое рассеяние.

7. Измерения динамической Восприимчивости позволяют определить функцию распределения зёрен по температурам сверхпроводящего перехода.

о. Уменьшением концентрации кислорода можно плавно двигать температуру сверхпроводящего перехода в уПа2си3о7_5. . э. В керамике ува2Си3о7_5 при различных функциях распределения зёрен по тг проникновение слабого магнитного поля определяется образованием . кластеров, для описания которого пригодны пэрколяционлые представления, ю. Обнаружен эмпирический закон для проницаемости, усреднённой по объёму вне сверхпроводящих зёрен

1/2

1п и : - Н» - » )

О *

о различным коэффициентом V для различных реализаций функций распределения зёрен по тс.

и

Публикации - основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Gan,tmakher V.F., Golovko N.I., Naumenko I.G., Neminsky A.M'. and Petinovo A.V.

Temperature dependence of the magnetic field penetration depth in YBn^CUjO^p measured on ultrafine powder, Physicn C. 1930. V.171, P.223.

2. Гантмахер В.Ф., Клмнкова Л.А., Неминский A.M., Филатова M.B. ■

Глубина проникновения магнитного поля в КБаВЮ по измерениям динамической, восприимчивости Порошка в переменном по--Ле. 1ЭТФ. 1992. ., л. Гш'пнэхер В.Ф., НеминскиЙ A.M., Шовкун Д.В. ' Проявление закономерностей классической перколяционной те--срии в транспортных свойствах керамики ¥Ba2Cu307_g. ПИСМ.13 Е ДЭТФ. 1 ддо . Т.52. С.1214. \. Gnntnwikher V I*.. Neminsky A.M., Shovkun D.V.

ЛС-su-coptibility of YBa^Cu^O^^g ceramics interns of percolation tbeor; . t lis'41 en С. 1ЯЯ1. V.177. Р.46Э.

12.12.1991г.

Зап.. 714 " Объёы 0,75п.л. Тир. ЮОэкз.

Типография ИХФЧ АН СССР