Радиочастотное поглощение и эффекты магнитной модуляции в высокотемпературных сверхпроводниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГб од

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК 1 О МАП ¡ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи

Ногинова Наталья Евгеньевна

РАДИОЧАСТОТНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ И ЭФФЕКТЫ МАГНИТНОЙ МОДУЛЯЦИИ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ

Специальность 01.04.03. - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1993

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники Российской Академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

профессор Ацаркин В.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Губанков В.Н., кандидат физико-математических наук Зарицкий И.М.

Ведущая организация: Физико-технический институт им. Иоффе РАН

Защита состоится 18 июня 1993 года в часов на засеании специализированного совета Д 002. 74. 02 в Институте радиотехники и электроники Российской Академии наук по адресу: 103907, Москва, Центр, ГСП-3, Моховая, 11.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН. Автореферат разослан " ЛЕ" 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат техническких наук ¡¡{¿¿у&р^ М-Г.Голубцов

Общая характеристика работы

Актуальность. Открытие Беднорцем и Мюллером в 1986 году высокотемпературной сверхпроводимости вызвало среди ученых настоящий бум, связанный как с громадными перспективами применения новых сверхпроводников, так и с физикой явления. Одним из широко распространенных методов исследования высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) является изучение их радиочастотных свойств. Это связано, во-первых, с практическими вопросами: разработкой методов бесконтактного тестирования, исследованием возможности применения ВТСП в сверхпроводниковой электронике; а во-вторых, с научным значением данных о магнитодинамических свойствах ВТСП, которые по физическим характеристикам сильно отличаются от традиционных "низкотемпературных" сверхпроводников. Исследование поведения ВТСП в постоянных и переменных магнитных полях может дать информацию о состоянии и движении магнитной вихревой системы, силе пиннинга, свойствах межгранульных слабых связей, которые определяют поведение сверхпроводящих керамик и поликристаллов в небольших магнитных полях. Несмотря на значительнее количество работ, многие вопросы радиочастотного и релаксационного поведения ВТСП остаются недостаточно изученными, данные часто носят противоречивый характер, трактовка результатов неоднозначна.

Целью работы является подробное экспериментальное исследование радиочастотных потерь и нелинейных эффектов в высокотемпературных сверхпроводниках во внешних магнитных полях, а также поиск физической модели, адекватно описывающей наблюдаемые явления.

Научная новизна работы. Обнаружено и детально изучено влияние размера образцов ВТСП (керамик и пленок) на магнито-зависящее поглощение высокочастотного (ВЧ) электромагнитного поля. Это

позволило измерить глубину проникновения ВЧ поля в ВТСП в зависимости от его частоты, а также от величины постоянного магнитного поля и температуры в диапазоне от 77 К до Тс= 90 К. Обнаружен и исследован нелинейный эффект влияния магнитной модуляции на высокочастотное поглощение в различных материалах ВТСП. Установлены зависимости этого эффекта от частоты и амплитуды модуляции в широком диапазоне магнитных полей и температур. Разработана единая модель, объясняющая наблюдаемые эффекты как в высокочастотном (104 + 107Гц), так и в сверхвысокочастотном (СВЧ, 101ОГц) диапазонах.

Практическая ценность работы. Показано, что измерение ВЧ и СВЧ поглощения в ВТСП дает существенную информацию о распределении и движении магнитного потока, слабых связях, значениях энергии пиннинга и плотности критического тока в исследуемых образцах. На этой основе предложены бесконтактные способы диагностики объемных и пленочных ВТСП-материалов. Кроме того, исследованные в работе характеристики - в первую очередь, потери на ВЧ и СВЧ - позволяют определить условия применимости ВТСП в приборах сверхпроводниковой электроники и найти оптимальный режим их работы.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Установлена зависимость высокочастотного поглощения ВТСП керамик и керамических пленок от размера образца, что позволило объяснить наличие максимумов поглощения совпадением размера образца с глубиной проникновения ВЧ поля. Последняя вблизи критической температуры определяется по законам скин-слоя для резистивного материала с эффективным удельным сопротивлением, зависящим от параметра Н/(Тс-Т)3/а.

2. В керамиках, пленках и некоторых кристаллах ВТСП на основе У и В1 обнаружен и исследован нелинейный эффект, выражающийся в

юсте ВЧ потерь .с увеличением скорости изменения внешнего игнитного поля. Установлена связь этого отклика с диссипативными жранирущими токами в ВТСП.

3. Установлено, что в магнитных полях HQ= 100 э происходит зезкое ослабление гистерезисного сигнала модулированного СВЧ юглощения в керамических ВТСП за счет подавления межгранульных слабых связей. При вхождении поля в сверхпроводящие гранулы эффект восстанавливается.

4. Дано теоретическое описание нелинейных модуляционных эффектов в ВЧ и СВЧ поглощении ВТСП на основе модели неоднородной зреды, содержащей сверхпроводящие контура с джозефсоновскими слабыми связями.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных земинарах ИРЭ АН СССР, ФИАН СССР, ИФТТ АН СССР, ФТИ им. Иоффе АН ЗССР (С.-Петербург), Ш1АЛ УССР (Киев), на III Всесоюзном Совещании ю высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков 1991), XI Всесоюзной школе по магнитному резонансу (Алушта 1989), XII Всесоюзной школе по магнитному резонансу (Кунгур 1991).

Публикации. По данным работы опубликовано 7 статей и 2 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы из 105" заименований. Общий объем работы страниц, в том числе 44

рисунка.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована ■ цель работы, кратко изложено содержание диссертации и приведены основные голожения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор экспериментальных и теоретических

работ, посвященных исследованию радиочастотных свойств, нелинейных эффектов и ' магнитной релаксации высокотемпературных сверхпроводников, а также моделей, применяемых для описания этих явлений. Отличительными чертами поведения ВТСП в магнитных нолях являются характер релаксации магнитного момента, наличие линии необратимости на плоскости (Н.Т) и значительные, зависящие от магнитного поля, температуры, амплитуды и частоты переменного поля радиочастотные потери. Рассмотрены также работы по исследованию нелинейных свойЬтв ВТСП, проявляющихся в радиочастотном диапазоне: генерации гармоник и нелинейного отклика СВЧ поглощения на магнитную модуляцию.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию магнитополевой зависимости высокочастотного поглощения в керамиках и поликристаллических пленках ВТСП в функции от температуры, частоты ВЧ поля и размеров образца. При температурах ниже Тс в ВТСП возникают достаточно интенсивные ВЧ и СВЧ потери, сильно зависящие от внешнего магнитного поля Н'о. Для ВЧ диапазона (ш/2тг а 107 Гц) полевая зависимость этих потерь во многих случаях демонстрирует максимум (рис. 1а), положение которого зависит от температуры и качества образца. Одним из возможных объяснений этого может быть размерный эффект, т. е. примерное совпадение толщины образца с характерной глубиной 6 проникновения ВЧ поля - явление, хорошо известное для нормальных металлов, но далеко не очевидное для сверхпроводника. Для проверки этой гипотезы мы провели (насколько нам известно, впервые) систематическое исследование зависимости положения максимума поглощения от размеров образцов ВТСП.

Исследования проводились на образцах керамики ¥Ва2Сиэ07_4 (критическая температура То = 91 К) и поликристаллических пленках того же состава (Т =87, толщина 0,3 мкм). Образцы изготовлены в

-1В0

-5в е

Итак, Э

5В Нтан, Э

1ВВ

188

ж я Е в

1ВВ

х л

Е в

5В

84 88 92 Т.К

б 5 "-ч в 4 3 V Ч 3 2\ \1 X 4 V хЧ 4 \

0 ^ В \\ ^ ^ 4-Л ЛЧ

8В

98

Т.К

Рис. 1. а) ВЧ поглощение в керамике УВСО в зависимости от магнитного поля: б) зависимость Нтах от температуры при толщинах образца: [1) 0,8мм; (2) 0,5 мм; (3) 0,25 мм, частота ы/2я = 9,8 МГц; в)зави-зимость Н от температуры при частотах ВЧ поля: (1)9,8МГц, (2) 5 «Гц, (3) ГмГц, (4) 640 кГц, (5) 320 кГц, (6) 160 кГц, й = 0,8 мм.

лаборатории И.М.Котелянского, ИРЭ РАН. В эксперименте регистрировалось изменение мнимой части высокочастотной магнитно? восприимчивости х" в зависимости от внешнего поля Но, пръ температурах в диапазоне от 77 К до Тс и частотах ВЧ поля I диапазоне 0,1+10 МГц. Магнито-зависящая часть х" определялась пс изменению добротности высокочастотного резонансного контура, I катушку которого помещался исследуемый образец. Керамические образцы имеет форму стержня и ориентировались параллельно полям; пленка ориентировалась перпендикулярно полям. Один из поперечны; размеров стержня и диаметр пленки изменялись в ходе эксперименте посредством стачивания. Принципиальным при измерении %" былс применение достаточно малых амплитуд ВЧ поля (1г < 0,01 Э), не влияющих на величину восприимчивости.

Результаты экспериментов подтвердили гипотезу о размерного эффекте. Как видно из рисунка 16, температурные зависимое положения максимума Нтах имели различный наклон в зависимости от размера. Наблюдалась также характерная зависимость от частот! высокочастотного поля (рис 1в), а также от качества образца. Обработка экспериментальных данных позволила получить следующее

феноменологическое выражение для глубины проникновения ВЧ поля:

ы

Н

(1)

.(V т)3/

где у = 1 для объемной керамики и у = 2/3 для пленки, а коэффициент а зависит от качества образца (растет при его деградации).

Корневая зависимость 6 от ш типична, как известно, дл? скин-эффекта в нормальных металлах и позволяет сделать вывод с резистивном характере ВЧ потерь с вольт-амперной характеристике! (ВАХ), ^близкой к омической. Сосласно (1), эффективное удельное сопротивление при этом равно

р.

[(V

9 н

оф I /т т -Ч Э/2

Г

2?

(2)

Интерпретация результатов основывается на решающей роли слабых (джозефсоновских) связей между сверхпроводящими зернами, образующими ВТСП керамику. Как известно, вхоздение магнитного потока в такие гранулированные сверхпроводники сильно облегчено и осуществляется путем движения специфических вихрей в усредненной "эффективной джозефсоновской среде" [1*, 2*]. При малых амплитудах магнитного ВЧ поля и не слишком далеко от То движение вихрей происходит в режиме "термоактивированного течения потока" (ТАИ?) СЗ*], что ведет к возникновению омической ВАХ с удельным сопротивлением рТАГГ <* ехр(-и/кТ), где и - энергия активации пиннинга. Близкий результат получается и из анализа тепловых флуктуаций в джозефсоновских переходах [1*]. Отметим, что выраженное в формулах (1), (2) характерное масштабирование по параметру Н/(Т - Т)э/2 ранее наблюдалось при установлении "линии необратимости" на плоскости (Н,Т) [4*]. Наши результаты показывают, что подобным же образом проходит и линия, характеризующаяся постоянным значение р в области линейных ВАХ. Относительно

г Эфф

слабую температурную зависимость в (2) можно объяснить широким распределением энергии активации в керамических образцах.

Учет нелинейности, возникающей при больших амплитудах ВЧ поля II, объясняет расхождение в литературе по вопросу о частотной зависимости положения максимума х"• С ростом Ь. характер движения магнитного потока постепенно меняется от ТАИ? к термоактивированному крипу [3*, 4*}. При этом вольт-амперная характеристика меняется от омической до степенной с п > 1 [5*] или экспоненциальной, в зависимости - от ширины распределения энергий

активации. С помощью компьютерного расчета продемонстрировано сильное уменьшение частотной зависимости экранирующих токов (а следовательно и потерь) в модельном случае нелинейной ВАХ с п = 3.

Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают гипотезу о размерном эффекте, позволяют установить характер движения магнитного потока (диффузионный) в области температур, близких к критической, дают информацию о пиннинге и могут использоваться для диагностики образцов.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию нелинейных свойств и магнитной релаксации в ВТСГ1 методом высокочастотного отклика. Исследования проводились на полученных из различных источников керамиках, поликристаллических пленках и монокристаллах YBa2Cu30 , а также поликристаллических образцах Bi2Sr2CaCu2Oa+g. Эксперимент состоял в измерении величины магнитной воприимчивости х" на частотах u/2it = 0,1 + 10 МГц в условиях одновременного воздействия на образец постоянного магнитного поля HQ = 30 + 3500 Э и дополнительного поля модуляции АН(t). Опыты проводились при температурах от 4,2 К до Т . Поле АН(t) представляло собой либо низкочастотную синусоидальную модуляцию Н -sinfit с Н = 0,2 +■ ЮОэ и Q/2п = 0,01 + 3500 Гц, либо ступеньку

М m

поля величиной ДН = ±(0,1 + 1)э с фронтом порядка нескольких мкс. В экспериментах применялись достаточно малые амплитуды радиочастотного поля (<0,01 э), что позволяло исключить нелинейность, связанную с ВЧ полем, и использовать измерение х" в качестве бесконтактного метода контроля за магнитным состоянием образцов ВТСП.

Исследования показали, что при изменении внешнего магнитного поля кроме компоненты, связанной с обычной магнитополевой зависимостью х" (Н), высокочастотное поглощение получает

дополнительное приращение, зависящее от скорости изменения магнитного поля. Как видно из рис. 2а, демонстрирующего случай модуляции поля ступенькой, сам факт изменения магнитного поля, независимо от того, увеличивается оно или уменьшается, вызывает резкий рост ВЧ поглощения с последующей релаксацией по закону, близкому к сумме двух экспонент с максимальной постоянной времени го= 0,1 - 1 мс. Отметим, что на больших временах 1; > 1 с этот релаксационный процесс приобретает логарифмическую кинетику, характерную для термоактивированного крипа потока [4*]. Типичный пример нелинейного отклика ВЧ поглощения Лу" на синусоидальную модуляцию магнитного поля показан на рис. 26. Подробные исследования зависимостей амплитуд отклика |Ду"| от амплитуды и

пз а у

частоты модуляции на различных образцах в широком диапазоне магнитных полей и температур выявили следующие интересные закономерности.

1) В широком диапазоне изменения амплитуды модуляции (на 2 порядка) наблюдается линейный рост |Лх"|тах с увеличением Нм.

2) При достаточно низких частотах модуляции отклик Лх"(Ю по форме близок к модулю производной модуляции по времени (рис. 26):

Ах"(Ю « = П-Нм-|созП^ , (3)

при этом )Лх"|та„ ~ й- Однако с ростом частоты модуляции выше некоторого значения 0 , зависящего от Н и Т, наблюдается переход к зависимости |ЛХ"|„,ахо< (рис. 3). Типичные значения 4тт-Лх"

составляли 10~Б + 10"э для керамик и 10~7 + Ю"6 для монокристаллов при <>)/2тг -V 1 МГц, Н ~ 1кЭ и Т = 77 К. С понижением температуры |ЛГ|пах проходит через максимум, затем падает экспоненциально в случае монокристаллов и более слабо для других образцов.

Н

Но

Хн

(О

и

1000

1, мс

X"

ш

10

)', Л/сгп2

Рис. 2.

Отклик ВЧ-поглощения при Т = 77 К для УВаСиО керамики на: а) импульсное приращение внешнего магнитного поля, Но = 5 Э, ДН =

0,5 Э, б) синусоидальную модуляцию, Нг 6Гц; в) транспортный ток, Но = 8 Э,

64 Э, Н = м

- керамика,

2 Э, П/?.п = - пленка УВаСиО.

Рис. 3.

Зависимость Дх" от частоты модуляции П для различных УВаСиО

образцов: монокрсталл, Н0 = 2,5 кЭ, (X) Т = 77 К, (о) 86 К; керамика Но = 60 Э, Т = 77 К, (х) лучшего качества, (*) худшего качества; ) пленка, Н = 8 Э, Т = 77 К. На вставке: П в

и о

зависимости от магнитного поля, УВаСиО керамика, 77 К.

Исследование зависимости fiQ от внешних условий показало рост П0 с ростом поля и температуры (рис. 3, вставка). Обнаружено также возрастание По с ухудшением качества (старением) образца. Обнаружена и изучена также зависимость ВЧ потерь от транспортного тока, пропускаемого через образцы ВТСП (керамики и пленки). Как видно из рис.2в, транспортный ток I приводит к дополнительному ВЧ поглощению лишь в случае I > I . Это дает удобный двухконтактный

С

метод измерения критического тока I -.

Для объяснения всей совокупности экспериментальных данных мы снова обращаемся к модели неоднородного сверхпроводника со слабыми связями (см. выше, гл. 2), но теперь делаем ее более конкретной. Предполагается, что из-за весьма широкого разброса значений критического тока и энергии пиннинга весь объем образца разбивается на отдельые области, обладающие резистивными свойствами (режим TAFF), но обтекаемые сверхтоками, экранирующими эти области от проникновения приращений внешнего магнитного поля вплоть до некой "критической" величины Н*. Замкнутые контура, доступные для сверхтоков, образуются в тех частях образца, где энергия пиннинга U » кТ, так что время жизни флюксона вблизи центров закрепления г ~ ехр(-и/кГ) сказывается больше характерных времен наблюдения 1/П. В результате характер и кинетика проникновения поля модуляции в образец определяется в основном резистивными областями, а пересечение границ этих областей осуществляется при Нм > Н* путем "прорыва" отдельных флюксонов через сверхпроводящие контура.

Расчет показывает, что прохождение флюксона через барьер, происходящее под совместным воздействием полей Н -sinQt, h -slnwt и

М и

тепловых флуктуации, вызывает дополнительное ВЧ поглощение Дх", если характерное время перескока тр < 1/ш. С другой стороны, поток флюксонов через границу пропорционален |cffi/dt|, т.е. модулю

напряженности электрического поля в прилегающих резистивных областях. Этим и объясняется хаарактерная зависимость эффекта от частоты модуляции П (рис. 3), а также типичный для нормальных металлов диффузионный закон релаксации (рис. 2а). Частота П0, при которой происходит излом частотной зависимости, имеет порядок 1/т ; она характеризут эффективное удельное сопротивление образцов и может служить дополнительным параметром при оценке их качества.

Таким образом, обнаруженный нелинейный эффект может быть связан с потоком магнитных вихрей через имеющиеся в образцах сверхпроводящие контура (в том числе поверхностные), причем этот поток распространяется в образце по диффузионному закону. Заметим, что своеобразное сочетание резистивных и сверхпроводящих свойств в ВТСП отмечается и другими авторами [6*].

Четвертая глава посвящена влиянию постоянного и переменного магнитных полей на поглощательную способность ВТСП в СВЧ диапазоне («/2л = Ю10 Гц). В этой же главе проводится дальнейшее уточнение физической модели изучаемых явлений и предлагается единая интерпретация результатов, полученных на разных частотах.

Почти сразу же после открытия высокотемпературной сверхпроводимости было обнаружено, что ниже Тс во всех материалах ВТСП возникает сильное магнитозависящее микроволновое поглощение X"(Н). Свойства магнитозависящих СВЧ сигналов в ВТСП достаточно многообразны и подробно изучены многими авторами (см., напр., [6*8*]). В задачу данной работы входило в основном изучение и интерпретация лишь одного эффекта - отклика СВЧ поглощения на малую модуляцию внешнего магнитного поля, поскольку именно это явление представлялось наиболее интересным с точки зрения его сравнения с результатами, полученными для ВЧ диапазона в предыдущих главах.

Исследования проводились в диапазонах магнитных полей 0 + 5 кЭ

и температур 4,2 К + То на стандартном ЭПР-спектрометре 3-см

диапазона золн ЕН-200 фирмы Bruker. Образцы керамики и

монокристаллы YBa Си 0 и поликристаллы Bi Sr CaCu 0о (из тех

2 3 7-6 3 2 2 8 +0

же источников, что и в гл. 3) помещались в пучность магнитного СВЧ поля объемного резонатора. Как принято в ЭПР-спектроскопии, внешнее магнитное поле было перпендикулярно полю СВЧ и изменялось по закону

Hit) - н0 + HSK(t) + HM(t),

где HQ - постоянная составляющая; HgH(t) - пилообразное поле развертки с размахом ± Hgw и HH(t) = HM-alnflt - поле модуляции с частотой П/2п = 10э +106 Гц и амплитудой Н « Н„ , Н . Для

М Sw О

выделения магнито-зависящей части микроволнового поглощения х"(Н) применялось синхронное детектирование на частоте модуляции, так что в итоге регистрировалась амплитуда первой гармоники сигнала поглощения х£-

При достоточно больших амплитудах модуляции сигнал х'0' воспроизводит производную dx"(H)/dH, которая отражает монотонный рост поглощения с увеличением магнитного поля. Однако при уменьшении Нм до величин порядка долей эрстеда на dx''/сШ накладывается еще один сигнал, демонстрирующий характерный гистерезис при обращении направления свипирования Hgw(t). Именно этот сигнал, называемый в дальнейшем "петлей", и явился главным объектом нашего изучения. Для упрощения анализа большинство опытов делалось при HgH « HQ; в этом случае петля имеет вид, близкий к прямоугольнику (рис. 4,а); при этом сигналы прямого, и обратного хода примерно симметричны относительно нуля, что говорит о сдвиге фазы детектируемого сигнала частоты Q на 180°.

В литературе описан также истинный (до выделения первой гармоники) вид модуляционного отклика СВЧ-поглощения [7*]. Как

Рис. 4.

а) Петля гистерезиса при синхронном детектировании модулированного СВЧ поглощения в керамике УВСиО при Т = 50 К, Н0 = 350 э, Ндв = 12э, Н = 0,02 э.

М

б) Результат теоретического расчета формы сигнала модулированного высокочастотного поглощения при шгс = 30; справа - эксперименальный сигнал из работы [7*1 (диапазон СВЧ, прямое детектирование).

в) Результат такого же расчета при ытс = 0,3.

видно из рис. 4,6, он принципиально отличается от описанного в гл. 3 отклика ВЧ диапазона (рис. 2,(5): максимумы СВЧ потерь достигаются при экстремальных значениях поля модуляции, а не при максимальной скорости, его изменения; кроме того, наблюдается четко выраженный гистерезис, йце одно важное отличие СВЧ-отклика - его независимость от частоты модуляции П. Все эти особенности показывают, что в данном случае мы имеем дело уже не с резистивннм, а с существенно сверхпроводниковым механизмом возникновения модуляционного отклика.

В наших; экспериментах измерялись основные параметры петли - ее размах в и длина переходных участков АВ и СБ, см. рис. 4,а. Установлено, что для всех образцов УВаСиО петля наблюдается практически при всех температурах ниже То, а для ВТСП на основе висмута - лишь ниже 30 - 40 К. При изучении магнитополевых зависимостей было установлено, что поведение петли в малых и больших полях Н0 существенно различно. Граница этих областей при 77К для керамики УВаСиО проходит около 100 + 150 Э и сдвигается вверх при понижении температуры; представляется очевидным, что она совпадает с первым критическим полем Н® для сверхпроводящих гранул. В "малых полях" (Н0 < Н^) размах петли монотонно падает с ростом Н0; при этом зависимость в от амплитуды модуляции проходит через максимум при Нм = Н* = 0,1 э (при 77 К, керамика) и затем падает до нуля. При увеличении Н0 выше мы наблюдали

"восстановление" сигнала петли, причем в зависимости С(НМ) появлялся второй максимум, при больших значениях Ни ~ 5э.

Интерпретация результатов строится на основе предположения, что источником гистерезисного модуляционного отклика является взаимодействие СВЧ поля с экранирующими сверхтоками на частоте П, протекающими через слабые (джозефсоновские) связи между гранулами или границами двойников [8*]. Анализ показывает, что размах петли С

пропорционален критическому току джозефсоновского контакта 1с, а длительность переходных участков (АВ и СБ на рис. 4,а), как и значение Н*, определяется максимальным значением поля Н*, которое может быть экранировано этим током. С ростом поля Н0 слабые связи подавляются, I падает и петля исчезает. Однако при Н > Н? когда

о О С1

вихри начинают входить в сверхпроводящие гранулы, наблюдается "реанимация" слабых связей и восстановление петли. Этот интересный эффект можно объяснить либо размагничивающими полями гранул, либо влянием абрикосовских вихрей, закрепленных в "берегах" джозефсоновских переходов [9*]. В пользу второго предположения свидетельствует результат специально проведенного эксперимента по свипированию модулированного СВЧ поглощения после процедуры "ГС" -охлаждения образца в поле Но.

Наблюдение сигнала петли позволило также выполнить ряд релаксационных экспериментов. Так, остановка свипирования приводит к постепенному падению сигнала, а быстрый скачок поля Но на 100 -200э ведет к постепенному нарастанию сигнала петли до нового стационарного значения. Оба процесса при низких температурах идут по логарифмическому закону и могут применяться для исследования магнитной релаксации (крипа потока) в ВТСП.

Для объяснения всей совокупности данных по модуляционным эффектам как в ВЧ, так и в СВЧ поглощении была проведена дальнейшая конкретизация описанной в гл. 3 модели сверхпроводящих контуров в резистивной среде ВТСП. Она состоит в предположении, что "прорыв" флюксонов сквозь линии сверхтока происходит в тех местах, где имеются слабые связи - точечные джозефсоновские контакты. Таким образом, введенные нами в рассмотрение сверхпроводящие контура превращаются в одноконтактные сквиды, причем дополнительным предположением является условие их "большой индуктивности", т. е.

способности экранировать значительное число квантов потока Фо. Поведение такого контура в условиях одновременного воздействия медленно меняющегося поля модуляции ни) и ВЧ или СВЧ поля К-

п

з1п(<>>1;) может быть описано уравнением [10*]

Фе = Ф1 + Ы (4)

где Фе и Ф^ - значения магнитного потока вне и внутри контура с индуктивностью Ь , а ток I = 1сз1п(2яФ1/Ф0) + (йФ-^ЛИО/Н, гдеИ -нормальное сопротивление контакта.

Уравнение (4) позволяет найти поглощение поля 11-ехр(1и1;) в функции от НМ(Ю. Эта задача была решена нами как аналитически (в приближении I « 1с, пользуясь методом работы [8*]), так и численно (в общем случае). Оказалось, что результат существенно зависит от соотношения между частотой <о и характерным временем контакта то = Ф0/2пИ1с. Как видно из рис. 4, при ы-тс < 1 рассчитанный модуляционный отклик согласуется с результатами для ВЧ диапазона, а при ы-т„> 1 - с откликами СВЧ-поглощения. Отсюда следует оценка т

О С

~ 10"7 + Ю"10 с.

Физический смысл полученного результата состоит в следующем. При I < 1с основную роль в формировании сигнала х" играет нелинейное взаимодействие высокочастотного поля со сверхтоком, причем вклад этого механизма пропорционален « и поэтому гораздо сильнее в СВЧ диапазоне. Когда же ток достигает значения 1с, дальнейшее изменение поля модуляции приводит к "прорыву" флюксонов через слабую связь, что вызывает дополнительное поглощение, пропорционльное 1 сШм/<1г|. При этом необходимым условием является <!>-тс < 1, т. к. в противном случае процесс преодоления барьера занимает много периодов ВЧ поля и происходит усреднение положительных и отрицательных вкладов.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Установлено, что причиной немонотонной зависимости высокочастотного (104 + 107 Гц) поглощения от магнитного поля и температуры в ВТСП керамике является размерный эффект, связанный с проникновением ВЧ поля до середины образца. Глубина проникновения вблизи Тс имеет резистивный характер и определяется эффективным удельным сопротивлением рЭф <* Ш/(ТС-Т)э/2]2. Предложено объяснение этого результата на основе модели термоактивированного движения в джозефсоновской среде с учетом распределения энергий активации.

2. В образцах ВТСП различного качества и состава в широком диапазоне полей и температур (Т < Т ) обнаружен и исследован нелинейный эффект, состоящий в появлении отклика (дополнительного поглощения) на высоких частотах (104 + 107 Гц) при изменении внешнего магнитного поля. Показано, что величина этого отклика пропорциональна модулю скорости вхождения магнитного потока через поверхность образца.

3. Иссл^ованы магнитно-полевые зависимости гистерезисного отклика СВЧ-поглощения ВТСП на магнитную модуляцию. Установлено ослабление эффекта при . подавлении межгранульных слабых связей внешним магнитным полем и повторное возникновение гистерезисного зигнала в полях Н >

4. Развита единая модель, объясняющая характер нелинейных эткликов ВЧ и СВЧ поглощения на низкочастотную модуляцию. Согласно этой модели, источиком указанных эффектов являются имеющиеся в ВТСП эезистивные области, разделенные сперхлроводящими контурами со слабыми связями. Модуляционный отклик ВЧ поглощения обусловлен грерываниями связей в моменты вхождения квантов магнитного потока, ) отклик в СВЧ диапазоне (1010 Гц) - модуляцией сверхтока.

5. Показана возможность использования сигналов ВЧ и СВЧ юглощения для контроля качества и магнитного состояния образцов

ВТСП, а также определения ряда важных параметров ВТСП-материалов (Тс> эффективное удельное сопротивление на ВЧ, критический ток). Список публикаций по теме диссертации

1. В. А. Ацаркин, В. В. Демидов, Н. Е. Ногинова, А. Е. Соболев. Размерный эффект и глубина проникновения высокочастотного поля в сверхпроводящей керамике // СФХТ.- 1989.- Т. 2.- J6 8.- С. 52 - 58.

2. V. A. Atsarkln, G. A. Vasneva, V. V. Demidov and N. Е. Noginova. Fast magnetic relaxation detected by transient rf and microwave absorption In high Tc ceramics // Solid State Commun.- 1990.- Vol. 74.- * Т.- P,. 603 - 607.

3. В. А. Ацаркин, Г. А. Васнева, В. В. Демидов, Н. Е. Ногинова. Нелинейные и релаксационные эффекты в высокочастотной восприимчивости ВТСП керамики // СФХТ.- 1990.- Т 3.- JG 8.- С. 1643 -1653.

4. В. А. Ацаркин, В. В. Демидов, Н. Е. Ногинова. О природе модулированного поглощения в ВТСП. // Физика низких температур.-1991.- Т. 17.- X 11.-С. 1388-1391.

5. V. A. Atsarkln, V. V. Demidov, N. Е. Noginova, G. A. Vasneva and A. A. Bush. Non-linear ac.effect and dissipation In weak links medium of hlgh-Tc superconductors // Phys. Letters A.- 1991.- Vol. 154.- JS 7 - 8.- P. 416 - 420.

6. В. А. Ацаркин, Г. А. Васнева, В. В. Демидов, Н. Е. Ногинова. Нерезонансная магнитная радиоспектроскопия ВТСП. /В сб.: Тезисы докладов XII Всесоюзной Школы-симпозиума по магнитному резонансу.-Изд. ПТУ, Пермь.- 1991.- С. 91 - 92.

7. В. А. Ацаркин, В. В. Демидов, Н. Е. Ногинова. О природе модулированного СВЧ-поглощения ВТСП. / В сб.: Тезисы докладов III Всесоюзного совещания по высокотемпературной сверхпроводимости.-Харьков.- 19Э1.- Т. 2.- С. 53 - 54.

8. В. А. Ацаркин, В. В. Демидов, Н. Е. Ногинова. Модулированное

микроволновое поглощение в ВТСП: физическая модель и новые эксперименты // СФХТ.-1992'.- Т. 5.- Jí 2.- С. 305 - 313. 9. V. V. Demidov and N. Е. Noginova. Modulated radiofrequency and microwave absorption in superconductors with intrinsic weak links // Solid State Commun.- 1992.- Vol. 82.- JS 7.- P. 527 - 529.

Литература

1*. M.Tlnkham, C.J.Lobb. Physical Properties оf the New Superconductors // Solid State Physics.- 1989.- Vol. 42.- P. 91 - 134. 2* Э.Б.Сонин, А.К.Таганцев. Электродинамика джозефсоновской среды в ВТСП // ЖЭТФ.- 1989.- Т.95.- 3.- С. 994 - 1004. 3*. Р. Н. Kes, J. Aarts, J. Van der Бегу, С. J. van der Beek, J. A, Mydesh. Thermally assisted ilux flow at small driving forces // Supercond. Sci. Tehnology.- 1989.- Vol. 1.- X 5.- P. 242 - 248. 4*. Y. Yeshurun and A. P. Malozemoff. Giant flux creep and irreversibility in an YBaCuO crystal. // Phys. Rev. Letters.-1988.- Vol. 60.- P. 2202 - 2205.

5*. R. Griessen. Resistive Behavior of high-Tc superconductors: Influence of a distribution of activation energies // Phys. Rev. Letters.- 1950.- Vol. 64.- P. 1674 - 1677.

6* И.М.Зарицкий. ЭПР, спиновая релаксация и нерезонансные микроволновые эффекты в диэлекриках, полупроводниках и высокотемпературных сверхпроводниках // Диссертация д. ф.-м. н..- ИП АН Украины.- Киев.- 1993.

7*. М.Warden, M.Stalder, G.Stefanicky, A.M.Portis, F.Waldner. Non-linear microwave response to scanning fields in high-Tc oxides // J. Appl. Phys.- 1988.- Vol. 4.- X 10.- P. 5800 - 5802. 8*. M. Pozec, A. Dulcic, B. Rakvin. Field-dependent microwave absorption in granular superconductors // Physica C.- 1990.- Vol. 169.- P. 95 - 99.

9*. М.Ф.Фистуль. Критический ток джозефсоновских контактов со случайно расположенными вихрями // Письма в ЖЭТФ.- 1989.- Т. 49.-Вып. 2.- С. 95 - 98.

10*. К.К.Лихарев. - Введение в динамику джозефсоновских переходов.-М., Наука.- 1985.- С. 18.