Влияние макроструктуры высокотемпературного сверхпроводника Y-Ba-Cu-O на проникновение вихрей Абрикосова

Авдеев, Михаил Александрович

Автореферат диссертации на тему "Влияние макроструктуры высокотемпературного сверхпроводника Y-Ba-Cu-O на проникновение вихрей Абрикосова"

005005929

АВДЕЕВ Михаил Александрович

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА У-Ва-Си-О НА ПРОНИКНОВЕНИЕ ВИХРЕЙ АБРИКОСОВА

Специальность: 01.04.07 — Физика конденсированного

состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 2 ДЕК 2011

Воронеж — 2011

005005929

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор

Милошенко Владимир Евдокимович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Постников Валерий Валентинович;

кандидат физико-математических наук, профессор

Шунин Геннадий Евгеньевич

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный ун иверситет»

Защита состоится 27 декабря 2011 г. в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан 25 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Горлов М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акггуальность темы. Обнаруженное у перовскитоподобных металлооксид-ных соединений явление сверхпроводимости на уровне азотных температур (1986г.) стало одним из значительных событий физики твердого тела конца XX века. Оно позволило говорить о перспективах практического использования высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). К этому времени существовал ряд низкотемпературных приборов и устройств, например, сверхвысокочувствительные навигационные и гравиметрические, которые изготовлены или включают конструктивные элементы из классических сверхпроводников. В основе работы этих устройств лежат уникальные свойства сверхпроводников — идеальный диамагнетизм, отсутствие сопротивления постоянному току и квантовые эффекты Джозеф сона в слабосвязанных системах. Использование этих же свойств в метал-лооксидах открывает перспективы создания приборов на уровне температур порядка 100 К. Однако в отсутствии понимания природы высокотемпературной сверхпроводимости эта задача осложнена. В этой связи большую роль играют экспериментальные исследования физических процессов, протекающих в ВТСП в сложных внешних условиях. Одними из основных физических исследований являются изучение проникновения магнитного потока в объем сверхпроводника, зарождения и движения вихрей Абрикосова и Джозефсона. Исследование же процессов проникновения осложнено наличием в высокотемпературных сверхпроводниках энергетического барьера, параметра формы, гранулярной структуры и многофазности. Существенное влияние на свойства метаплооксидов оказывают технологические параметры их получения. Установление связи между макроструктурой, технологическими параметрами и магнитными свойствами является задачей, которая в настоящее время полностью не решена. В этой связи изучение влияния технологических параметров, а значит макроструктуры, на магнитные свойства сверхпроводников остается для них актуальной задачей.

Тематика данной диссертационной работы соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденному президентом РАН (раздел 1.2 — «Физика конденсированного состояния вещества»). Данная работа является частью комплексных исследований, выполненных по госбюджетным темам НИР № ГБ 07.06 «Разработка и исследование физических процессов сверхпроводящих элементов криогенных устройств» и № ГБ 10.06 «Создание высокотемпературных сверхпроводников и исследование их физических свойств для гравиинерциальных приборов», а также по гранту ВП 1/09 «Влияние полей различной природы на нелинейные явления в гетерогенных системах с нано- и микроскопическим размером неоднородностей».

Цель и задачи работы. Установление закономерностей влияния фазового состава, энергетического барьера, геометрических размеров и технологических параметров на проникновение магнитного потока в высокотемпературный сверхпроводник У-Ва-Си-О.

Для достижения цели сформулированы следующие задачи:

1. Разработка и создание измерительных установок, позволяющих изучать процессы проникновения в сверхпроводник постоянных и переменных магнитных полей, в том числе и малых.

2. Получение и аттестация текстурированных и керамических металлоок-сидов на основе иттрия с различной макроструктурой.

3. Изучение влияния макроструктуры металлооксидов, в частности фазового состава (для текстурированных) и плотности (для керамических), на критические параметры.

4. Экспериментальное установление существования в текстурированных ВТСП энергетического барьера, созданного дефектным приповерхностным слоем; изучение характера проникновения магнитного поля.

5. Исследование влияния фактора формы на критические параметры тек-стурированного сверхпроводника и установление связи между полем проникновения и первым критическим.

Объект исследований. В качестве объектов исследования были выбраны металлооксиды на основе соединения УВа2Си307.6, полученные по керамической технологии и методом текстурирования в расплаве.

Выбор материалов обусловлен следующими причинами:

- итгриевые металлооксиды являются типичными представителями высокотемпературных сверхпроводников и могут рассматриваться (как однофазные, так и многофазные) при изучении физических процессов, протекающих в условиях воздействия внешних магнитных полей;

- многие физические свойства данных соединений хорошо изучены, что облегчает интерпретацию полученных в работе результатов;

- используемые технологии получения материалов в достаточной степени апробированы, что позволяет изготовлять образцы требуемых размеров хорошего качества с заданным фазовым составом и воспроизводимыми свойствами.

Научная новизна. В результате проведенных исследований в данной работе впервые:

1. Экспериментально установлено существование в текстурированных сверхпроводниках энергетического барьера, созданного дефектным приповерхностным слоем. Он проявляется в сложном характере проникновения магнит-

л

ного поля. Зародившиеся вихри Абрикосова проникают в объем связками, как и в металлических сверхпроводниках.

2. Обнаружена зависимость величины поля проникновения от содержания несверхпроводящей фазы в текстурированных ВТСП. Показано, что с уменьшением доли несверхпроводящей фазы величина поля проникновения снижается.

3. Установлена связь между полем проникновения и первым критическим полем; предложен способ расчета последнего на основе измерений поля проникновения для серии образцов различного размера.

4. Выявлена зависимость величины первого критического поля керамических металлооксидов от давления компактирования. Отмечено, что с ростом плотности сверхпроводника первое критическое поле снижается.

Практическая значимость работы. Полученные результаты способствуют углублению фундаментальных представлений о процессах, происходящих в текстурированных и керамических сверхпроводниках с различной макроструктурой и фазовым составом, находящихся в условиях воздействия магнитных полей. Полученные в работе результаты связи магнитных свойств и макроструктуры могут быть использованы для создания металлооксидных ВТСП с наперед заданными свойствами. Такие металлооксиды могут найти свое применение в качестве конструкционных материалов при разработке сверхпроводящих элементов криогенных устройств. Предложенные методы расчета первого критического поля могут быть использованы при создании элементов конструкций датчиков, выполняемых из текстурированных металлооксидов.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту. На основании полученных результатов были сформулированы следующие основные положения, выносимые на защиту:

1. Величина первого критического поля текстурированных сверхпроводников зависит от содержания включений несверхпроводящей фазы. С уменьшением доли несверхпроводящей фазы она снижается.

2. Проникновению вихрей Абрикосова в объем текстурированных металлооксидов препятствует существующий в них энергетический барьер, созданный дефектным приповерхностным слоем.

3. Величина первого критического поля керамических металлооксидов зависит от их плотности и с ее увеличением снижается.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: I—III Международных научно-практических конференциях «Молодежь и наука: реальность и будущее» (Невинномысск, 2008—2010), XV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-15» (Кемерово

— Томск-, 2009), III Международной конференции «Деформация и разрушение материалов «DFMN-09»» (Москва, 2009), XXII Международной научной конференции «Релаксационные явления в твердых телах»ЯР5-22»» (Воронеж, 2010), VII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов (Москва, 2010), V Международной научной конференции «Актуальные проблемы физики твердого тела «ФТТ-2011»» (Минск, 2011), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм и способов их боевого применения» (Воронеж, 2011), а также на 50-й и 51-й научных конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 2010,2011).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 научная работа, в том числе 4 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [2—4, 10—21] — подготовка к эксперименту, приготовление и аттестация образцов; [1—21] — получение и анализ экспериментальных данных, участие в обсуждении полученных результатов и подготовке работ к печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 146 наименований. Основная часть работы изложена на 116 страницах, содержит 51 рисунок, 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели, поставлены задачи и определены объекты исследований; показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, личном вкладе автора, структуре и объеме диссертации.

В первой главе дается литературный обзор по теме диссертации. Рассмотрены основные факторы, влияющие на процессы проникновения магнитного поля в классические и высокотемпературные сверхпроводники. Описаны природа известных поверхностных барьеров и способы управления ими. Проведено обсуждение основных экспериментальных результатов исследований смешанного состояния в металлических сверхпроводниках. Рассмотрены процессы зарождения и распространения вихрей Абрикосова и флаксонов в гранулах и слабых связях ВТСП. Обсуждены экспериментальные результаты исследований критических параметров металлооксидов. Кратко описаны основные теоретические модели

(модели гранулированного сверхпроводника, сверхпроводящего стекла, эффективно однородной среды), объясняющие некоторые особенности поведения ВТСП в малых магнитных полях. Приведены сведения о методах исследования сверхпроводников в магнитных полях. Показано, что наиболее информативными с точки зрения поставленных задач являются механический и индуктивный методы.

Во второй главе обоснован выбор метода исследования и приведено описание экспериментальных установок, разработанных в криогенной лаборатории ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». Описан технологический процесс изготовления высокотемпературных сверхпроводящих металлооксидов на основе иттрия по керамической технологии и методом текстурирования в расплаве. Представлены основные параметры полученных материалов и результаты исследований их методами металлографического и рентгенофазового анализов. Полученные результаты согласуются с известными литературными данными, что позволило использовать их в работе.

В третьей главе приводятся результаты исследований текстурированных сверхпроводящих иттриевых металлооксидов в постоянных и переменных полях (Ве > 1 Гс). Изучено влияние фазового состава, поверхностного барьера и геометрического размера на физические процессы, протекающие в таких ВТСП.

Поле проникновения {В1) [1] определялось двумя индуктивными методиками: из измерений, в одной — величины магнитного потока и в другой — э.д.с. индукции соответственно в постоянном и переменном магнитных полях. Для изучения влияния фазового состава на величину В' исследовались образцы пяти партий с разным содержанием нормальной фазы Y-211. Видно (рис. I), что начало проникновения магнитного поля, отмеченное в измерениях потока, подтверждается вторым методом. Измерения показали, что величина поля проникновения существенно зависит от содержания нормальной фазы (х) (рис. 2).

Ве, мТл х

Рис ] Полевые зависимости магнитного потока (I) Рис. 2. Зависимость величины поля проникновения и зле. индукции (2) для образца партии У-1-01 от содержания нормальной фазы: 1 — эксперимен-(.г-0,32) тальные значения; 2 — аппроксимация полиномом

второй степени

Так увеличение доли х в пределах от 0,08 до 0,32 приводит к возрастанию В' почти в два раза с 1,141 до 2,210 мТл. Такой результат связывается с наличием у текстурированных ВТСП существенного внешнего размагничивания. При этом частицы нормальной фазы выполняют здесь функции межгранульной среды в керамических сверхпроводниках. За счет их наличия магнитный поток, создаваемый внешним полем, может частично проходить через объем образца, уменьшая градиент индукции у его поверхности.

Значительный интерес представляет также и динамика потока при проникновении. В широком интервале полей процесс проникновения и распространения потока показан на рис. 3. На кривых ДФ(Ве) можно выделить четыре основных участка:

- на участке I при изменении Ве от 0 до В' кривые зависимости ДФ(/?г) носят линейный характер. Сверхпроводник находится в мейсснеровской фазе; магнитное поле вытеснено из объема сверхпроводящих областей; вихри Абрикосова отсутствуют;

- на участке II происходит зарождение вихрей Абрикосова; магнитное поле начинает проникать в сверхпроводящие области, происходит переход в смешанное состояние; кривые зависимости имеют более сложный вид;

- на участке III происходит сначала заметное уменьшение ДФ, а затем наблюдается его быстрый рост, который заканчивается выходом на небольшое плато, окончание которого интерпретируется как поле перегрева Вс\ [2]; при этом поле вихри Абрикосова беспрепятственно проникают в объем сверхпроводника;

- на участке IV, в полях выше поля перегрева Вс', ДФ возрастает; сверхпроводник находится в смешанном состоянии.

Видно, что характер кривых ДФ{Ве) для образцов с различным содержанием нормальной фазы практически не изменяется. Вместе с тем следует отметить, что угол наклона кривых АФ(Ве), обозначенный на рис. 3, 4 через а, на участке IV тем больше, чем ниже содержание нормальной фазы. Известно, что в сверхпроводящих металлооксидах иттрия глубина проникновения изменяется не только с температурой, но и в объеме за счет разных факторов (определяемых кристаллической решеткой, содержанием нормальных включений и др.). Это приводит к возникновению областей с ослабленной сверхпроводимостью. Тогда отмеченная в полях Ве > Вс]' (участок IV) связь угла наклона а кривой ДФ(Ве) с содержанием нормальной фазы объясняется подавлением сверхпроводимости в таких областях даже в малых магнитных полях Ве « В'.

Существенный интерес также представляет не только сам факт проникновения, но и наличие в изучаемых сверхпроводниках энергетического барьера. Известно, что он включает барьер Бина — Ливингстона и барьер, созданный

■1Ф. 120

100

80

60

40'

20

нВб

- х=0,32 х=0,27 -х=0,20 х=0,12 х=0,08

а, секунды 4000.....

У-

г и

0 5 10 15 20 25 30 S„, мТл

Рис. 3. Полевые зависимости изменения магнитного потока

3000

2000

а = arctg

(НАФ) dB,

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 х

Рис. 4. Зависимость угла наклона а от содержания нормальной фазы

дефектным приповерхностным слоем. Первый заключается во взаимодействии вихрей с границей раздела «вакуум — сверхпроводник», второй был обнаружен в экспериментальных работах В.Е. Милошенко в металлических сверхпроводниках [3] и ВТСП-керамиках [4]. В этой связи представляет интерес существование этого барьера в текстурированных металлооксидах, т.е. сверхпроводниках, не имеющих гранул и межгранульной среды. Для изучения этого в работе использовались образцы с поверхностной обработкой (подвергались шлифовке), обладающие существенно отличным от объема дефектным приповерхностным слоем. Действительно, как показано на рис. 3, на участках И и III кривые ДФ(Ве) имеют сложный характер. На рис. 5 зависимости АФ(Ве) показаны в более крупном масштабе. Видно, что на каждой кривой насчитывается четыре — пять ступенек. Учитывая, что в керамических иттриевых ВТСП было подтверждено наличие барьера [5], можно предположить, что в исследованных в данной работе образцах вихри также проникают в объем не по отдельности, а

связками, которые задерживаются и накапливаются в приповерхностном слое барьером (в классических сверхпроводниках он распространяется на глубину, большую чем X). Этому процессу проникновения на графике соответствует ступенька, т.к. при достижении связками некоторой количественной величины (в этом приповерхностном слое) давление внешнего поля становится достаточным для преодоления барьера и они

1 2 3 4 5 6 7 В„ мТл

Рис. 5. Полевые зависимости изменения магнитного потока на интервале от 0 до 7 мТл

проникают в объем, а на кривой зависимости ЛФ(йе) наблюдаются скачки. Закрепление в объеме переднего фронта связки вихрей на центрах пиннинга из-за возникновения при взаимодействии вихрей сил отталкивания оказывает тормозящее действие на связки в целом. Таким образом, рассматриваемые процессы на участке И связываются с наличием энергетического барьера. Дальнейшее поведение кривых АФ(ВС) (участок III) носит неоднозначный характер и свидетельствует о процессах частичного выдавливания уже проникшего магнитного потока. В этой связи необходимо отметить, что данные сверхпроводники являются пространственно неоднородными, а таким структурам присущи малоисследованные особенности.

Практическое использование сверхпроводников связано не только с созданием устройств и их элементов различных форм и размеров, но, что не менее важно, с пониманием физических процессов, протекающих в них, а следовательно, и с влиянием фактора формы и размеров на проникновение магнитного потока, присутствующего во внешней рабочей среде. Известно [6], что в отличие от гранулированных метаплооксидов, в текстурированных проявляется такой эффект. Это вызывает необходимость различать для них такие характеристики, как поле проникновения (В1) и первое (нижнее) критическое поле (Вс\)-Связь между ними может быть установлена путем получения серии результатов для каждой партии на образцах различного геометрического размера и их математической обработки. Для этого в работе проводились измерения магнитного потока в образах при неизменной ориентации вектора индукции поля, различающихся только размерами поперечного сечения (S).

На рис. 6 представлены графики полевых зависимостей изменения магнитного потока на примере партии с наименьшим содержанием нормальной фазы. Для всех партий характерным является то, что с уменьшением площади сечения кривые располагаются ниже. Такое поведение зависимостей очевидно: при одинаковых значениях внешнего поля меньшую площадь пронизывает меньший поток. На рис. 7 показаны графики зависимостей величины поля проникновения от площади поперечного сечения для партий с различной долей х нормальной фазы. Видно, что разница между максимальным и минимальным значениями каждой кривой практически не зависит от содержания нормальной фазы. Важно отметить, что в большинстве случаев зависимости могут быть успешно аппроксимированы стандартными функциями. Это дает возможность определить первое критическое поле. Известно, что величина эффективной индукции связана с первым критическим полем эмпирическим соотношением [2]

Bct

где п — фактор размагничивания, зависящий от формы, размеров сверхпроводника и ориентации его в магнитном поле.

В нашем случае роль эффективной индукции В^ играет поле проникновения В', а фактор размагничивания и ввиду постоянства формы (прямоугольный параллелепипед) и ориентации (магнитное поле параллельно большему ребру образца) зависит только от размеров и пропорционален 5. Следовательно,

ДФ, нВС

140 _

120 ......

100 —

80 —^

60

40

20

0

-5=16,00 мм2 5=12,25 мм2 - 6=9,00 мм2 -5=6,25 мм2 5=4,00 мм2 3=2,25 мм2

Гг*

.V ....

Уг'

И|Ш-.....

10

15 20 В», мТл

25 30

В\ мТл 3,0, 2.8 2,6 2,4 2,2 2,0 1.8 1,6 1,4 1,2 1,0

— х=0,32 х=0,27 х-0,20 - х=0,12 х'О.Оа

0 2

Рис, 6. Полевая зависимость изменения магнитного потока дм партии У-1-05 (.с = 0,08)

6 8 10 12 14 16 18 5, мм2

Рис. 7. Зависимость поля проникновения от плошали поперечного сечения

при 5 -> 0 значение В' должно стремиться к Вс1. Для практического решения этой задачи необходимо было произвести экстраполяцию аппроксимирующей функции на ноль.

Результаты проведенных расчетов представлены в таблице.

К установлению связи между полем проникновения и первым критическим полем

Партия (доля нормальной фазы х) Поле проникновения В', мТл, при размерах поперечного сечения образцов, мм2 Вс\, мТл

4,0x4,0 3,5x3,5 3,0x3,0 2,5x2,5 2,0x2,0 1,5x1,5

У-1-01 (0,32) 2,098 2,210 2,318 2,429 2,502 2,539 2,573

У-1-02 (0,28) 1,730 1,853 1,987 2,061 2,098 2,134 2,169

У-1-03 (0,20) 1,325 1,489 1,582 1,660 1,693 1,730 1,747

У-1-04 (0,12) 1,111 1,251 1,362 1,435 1,508 1,546 1,599

У-1-05 (0,08) 0,994 1,141 1,251 1,325 1,398 1,435 1,486

На рис. 8 показан график расчетной зависимости величины первого критического поля Вс,(*). Видно, что как и зависимость поля проникновения ПЪ) (см. рис. 2) она имеет квадратичный характер и аппроксимирована полиномом второй степени.

Вс1, мТл 2.61

2,4 2.2 2.0 1.8 1,6

1.4

В четвеитой главе приводятся результаты исследований керамических сверхпроводящих иттриевых металлооксидов в постоянных полях (Ве > 1 Гс).

Изучено влияние давления компакти-рования и плотности металлооксидов на величину первого критического поля гранул.

Для проведения исследований влияния макроструктуры таких материалов на проникновение магнитного поля были выбраны сверхпроводники, созданные по керамической технологии (получены восемь партий иттриевых металлооксидов).

При получении гранулированных ВТСП существует большое число факторов, с помощью которых можно управлять макроструктурой. Среди них давление компактирования, температура, влияние кислорода и др. Наименее исследованным остается вопрос о влиянии давления компактирования на проникновение магнитного потока. Для изучения влияния давления мы изменяли его величину в пределах от 2,1 до 209 МПа при неизменности остальных параметров, включая технологические (температура, длительность и атмосфера синтеза и отжига), химические (состав и чистота исходных компонентов) и геометрические.

Результаты измерений магнитного потока для партий с минимальным и максимальным давлениями компактирования приведены соответственно на рис. 9 и 10. Видно, что данные гранулированные металлооксиды в целом ведут себя аналогично: имеют значения первого критического поля, близкие к тек-

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 х

Рис. 8. Расчетная зависимость первого критического поля от содержания нормальной фазы: I — рассчитанные значения; 2 — аппроксимация полиномом второй степени

Рис. 9. Полевая зависимость изменения магнитного потока для партии У-11-01 (/' = 2,1 МПа)

Рис. 10. Полевая зависимость изменения магнигаого потока для партии У-11-08 (/> = 209 МПа)

стурированным. В них увеличение давления компактирования приводит к уменьшению величины первого критического поля. Это связано с внешним размагничиванием гранул сверхпроводника. Магнитный поток при значении внешнего поля меньшем, чем йсЬ проникает только в межтранульную среду и слабые связи, при этом с его ростом градиент индукции вблизи поверхности гранул растет. Уменьшение пространства между гранулами, вызванное давлением компактирования, приводит к увеличению градиента индукции и более раннему началу зарождения в приповерхностном слое вихрей Абрикосова, удерживаемых барьером.

Необходимо отметить, что для партий с малым давлением компактирования (рис. 9) наблюдаются заметные флуктуации величины изменения магнитного потока. Это связано с попытками проникновения магнитного поля в объем гранул, спонтанного вследствие рыхлости и пористости материалов. Начальный этап проникновения поля во все керамические металлооксиды при Ве > Вс\ также носит ступенчатый характер. Этот эффект связывается, как было отмечено выше, с коллективным преодолением вихрями барьера, созданного дефектным приповерхностным слоем.

Увеличение давления компактирования приводит к перераспределению размещения гранул в объеме и увеличению коэффициента упаковки, что вызывает увеличение плотности и уменьшение доли межгранульной среды. Зависимости величин первого критического поля от давления компактирования и плотности показаны соответственно на рис. 11 и 12. На вставке в рис. 12 показана также зависимость плотности от давления компактирования. Обращает на

Рис. 11. Зависимость первого критического поля от давления компактирования

5,0 5,5

р, Г/СМ3

Рис. 12. Зависимость первого критического поля от плотности {на вставке — зависимость плотности от давления компактирования)

себя внимание факт насыщения величины плотности при давлениях выше 20 МПа (кривая зависимости р(Р) выходит на плато в области высоких давлений) и, как следствие, величины первого критического поля. Причем значения плотности, к которым кривая асимптотически приближается, значительно ниже, чем теоретическая плотность. Отсюда можно сделать вывод, что получение в рамках керамической технологии сверхпроводников с плотностью, близкой к теоретической, сопряжено со значительными трудностями. Отмеченные результаты исследований имеют важное практическое значение.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Экспериментально установлено влияние фазового состава текстуриро-ванных иттриевых ВТСП на их критические параметры, в частности, определена зависимость величин поля проникновения В' и первого критического поля Bci от содержания нормальной фазы Y-211. С ростом содержания нормальной фазы (дг) значения В' и Bct увеличиваются по квадратичной зависимости. Например, увеличение доли х в пределах от 0,08 до 0,32 приводит к возрастанию В' почти в два раза с 1,141 до 2,210 мТл для образцов с размерами сечения 3,5x3,5 мм2, а Вс] — с 1,486 до 2,573 мТл.

2. Впервые экспериментально установлено существование в текстуриро-ванных ВТСП энергетического барьера и его влияние на процесс проникновения магнитного поля. Вихри Абрикосова проникают в объем сверхпроводника в виде связок, что проявляется в ступенчатом характере роста полевой зависимости изменения магнитного потока в полях выше Вс1. Рассчитано, что связка содержит порядка 105—106 вихревых нитей.

3. Исследована связь фактора формы и критических параметров тексту-рированного сверхпроводника и предложен способ расчета значения первого критического поля на основе измерений величины поля проникновения.

4. Установлена нецелесообразность увеличения давления компактирова-ния гранулированных сверхпроводников выше 20 МПа, из-за того, что их плотность и, следовательно, механические свойства, величина первого критического поля и энергетического барьера при больших давлениях практически не изменяются.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шушлебин И.М. Сверхпроводник Т1-Ва-Са-Си-0 в магнитных полях О—40 мТл / И.М. Шушлебин, А.И. Акимов, А.П. Чернякова // Сверхпроводимость: физика, химия, технология. — 1993. — Т. 6. — № 11-12. — С. 2067— 2073.

2. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников / В.В. Шмидт. — М. Наука, 1982. —240 с.

3. Милошенко В.Е. Проникновение магнитного поля в сверхпроводники второго рода / В.Е. Милошенко, Б.В. Воронин // Физика твердого тела. — 1985.

— Т. 27, — № 12. —С. 3701—3703.

4. Милошенко В.Е. Поверхностный барьер входу вихрей в высокотемпературный сверхпроводник / В.Е. Милошенко, И.М. Шушлебин // Сверхпроводимость: физика, химия, технология.— 1992. — Т. 5.—№8. — С. 1447—1452.

5. Милошенко В.Е. Проникновение магнитного поля в монокристаллы ниобия / В.Е. Милошенко // Высокочистые и монокристаллические металлические материалы. М.: Наука, 1987. — С. 139—141.

6. Шушлебин И.М. Эффект размагничивания в высокотемпературных сверхпроводниках / И.М. Шушлебин, О.В. Калядин // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2007. — Т. 3. — № 8. — С. 78—81.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Милошенко В.Е. Магнитоупругие свойства сверхпроводников в звуковом диапазоне частот / В.Е. Милошенко, О.В. Калядин, М.А. Авдеев // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2008. — Т. 4.

— № 1, —С. 177—180.

2. Милошенко В.Е. Первое критическое поле керамических иттриевых ВТСП различной плотности / В.Е. Милошенко, И.М. Шушлебин, М.А. Авдеев // Альтернативная энергетика и экология. — 2011. —№7. — С. 81—84.

3. Милошенко В.Е. Влияние фазового состава керамических висмутовых ВТСП на их критические параметры / В.Е. Милошенко, О.В. Калядин, М.А. Авдеев // Альтернативная энергетика и экология. — 2011. — № 7. — С. 85—88.

4. О некоторых процессах при проникновении магнитного поля в тексту-рированные иттриевые ВТСП / В.Е. Милошенко, И.М. Шушлебин, О.В. Каля-

дин, MA. Авдеев // Конденсированные среды и межфазные границы. — 2011. — Т. 13, —№4, —С. 425 —429.

Статьи и материалы конференций

5. Авдеев М.А. Влияние магнитного поля на затухание низкочастотного звука в сверхпроводниках / М.А. Авдеев, В.Е. Милошенко // Молодежь и наука: реальность и будущее: материалы I Междунар. науч.-практ. конф. Невинно-мысск, 2008. — Т. 2. — С. 310—313.

6. Авдеев М.А. Установка для исследования магнитоупругих свойств сверхпроводников / М.А. Авдеев, В.Е. Милошенко // Молодежь и наука: реальность и будущее: материалы II Междунар. науч.-практ. конф. Невинномысск, 2009. —Т. 8. —С. 35—36.

7. Авдеев М.А. Анализ экспериментальных методов исследования электромагнитных потерь в сверхпроводниках (звуковой диапазон частот) / М.А. Авдеев, В.Е. Милошенко // XV Всероссийская научная конференция студентов-физиков ВНКСФ-15: тез. докл. Кемерово — Томск, 2009. — С. 298—299.

8. Милошенко В.Е. О поведении сверхпроводников в низкочастотном магнитном поле / В.Е. Милошенко, О.В. Калядин, М.А. Авдеев //Деформация и разрушение материалов DFMN-09: материалы III Междунар. конф. М., 2009. — Т. 1, — С. 165—167.

9. Авдеев М.А. Использование метода внутреннего трения для исследования магнитоупругости сверхпроводников / М.А. Авдеев, В.Е. Милошенко // Молодежь и наука: реальность и будущее: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. Невинномысск, 2010. — Т. 5. — С. 74.

10. Авдеев М.А. Проникновение магнитного поля в текстурированные ВТСП на основе иттрия / М.А. Авдеев, И.М. Шушлебин, О.В. Калядин // 50-я отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секции «Физика твердого тела», «Физика и техника низких температур»: тез. докл. Воронеж: ВГТУ, 2010. — С. 18.

11. Путилина Е.С. Получение и исследование керамических ВТСП / Е.С. Путилина, Т.С. Тимошинова, М.А. Авдеев // 50-я отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секции «Физика твердого тела», «Физика и техника низких температур»: тез. докл. Воронеж: ВГТУ, 2010. — С. 22.

12. Соломахина И.И. Методы получения массивных ВТСП / И.И. Соло-махина, М.А. Авдеев // 50-я отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Сек-

ции «Физика твердого тела», «Физика и техника низких температур»: тез. докл. Воронеж: ВГТУ, 2010. — С. 24.

13. Проникновение магнитного поля в текстурированные иттриевые ВТСП / В.Е. Милошенко, И.М. Шушлебин, О.В. Калядин, М.А. Авдеев // Релаксационные явления в твердых телах: тез. докл. XXII Междунар. науч. конф. Воронеж: ВГТУ, 2010. — С. 176.

14. Авдеев М.А. Особенности проникновения магнитного поля в текстурированные У-ВТСП / М.А. Авдеев // VII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов: сб. ст. М.: Интерконтакт Наука, 2010, —С. 219—220.

15. Лебедева Е.А. Электрофизические свойства иттриевых купратов / Е.А. Лебедева, М.А. Авдеев, И.М. Шушлебин // 51-я отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секции «Физика твердого тела», «Физика и техника низких температур»: тез. докл. Воронеж: ВГТУ, 2011. — С. 3.

16. Путилина Е.С. Влияние макроструктуры висмутовых металлооксидов на их транспортные свойства / Е.С. Путилина, М.А. Авдеев, О.В. Калядин //51-я отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секции «Физика твердого тела», «Физика и техника низких температур»: тез. докл. Воронеж: ВГТУ, 2011. — С. 5.

17. Авдеев М.А. Влияние скачков потока на магнитомеханические свойства металлооксидов иттрия / М.А. Авдеев, О.В. Калядин, И.М. Шушлебин, В.Е. Милошенко // 51-я отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секции «Физика твердого тела», «Физика и техника низких температур»: тез. докл. Воронеж: ВГТУ, 2011, —С. 6.

18. Соломахина И.И. Первое критическое поле сверхпроводящих иттриевых купратов / И.И. Соломахина, М.А. Авдеев, И.М. Шушлебин //51-я отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секции «Физика твердого тела», «Физика и техника низких температур»: тез. докл. Воронеж: ВГТУ, 2011. — С. 7.

19. Тимошинова Т.С. Влияние технологии получения В1-ВТСП на фазовый состав / Т.С. Тимошинова, М.А. Авдеев, О.В. Калядин //51-я отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секции «Физика твердого тела», «Физика и техника низких температур»: тез. докл. Воронеж: ВГТУ, 2011. — С. 9.

20. Влияние содержания сверхпроводящей фазы на поле проникновения текстурированных итгриевых ВТСП / М.А. Авдеев, О.В. Калядин, И.М. Шуш-лебин, В.Е. Милошенко// 51-я отчетная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов. Секции «Физика твердого тела», «Физика и техника низких температур»: тез. докл. Воронеж: ВГТУ, 2011. — С. 10.

21. Милошенко В.Е. Нижние критические поля итгриевых металлоокси-дов различной плотности / В.Е. Милошенко, И.М. Шушлебин, М.А. Авдеев // Актуальные проблемы физики твердого тела (ФТТ-2011): сб. докл. V Между-нар. науч. конф. Минск, 2011. — С. 368—370.

Подписано в печать 23.11.2011. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Авдеев, Михаил Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СВЕРХПРОВОДНИКИ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ

ВНЕШНИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ (ОБЗОР)

1.1 Классические сверхпроводники

1.1.1 Энергетический барьер входу вихрей в сверхпроводник

1.1.2 Магнитомеханический и магнитоупругий эффекты

1.1.3 Модельные представления о магнитомеханическом и магнитоупругом эффектах

1.2 Высокотемпературные сверхпроводники

1.2.1 Проникновение вихрей Джозефсона

1.2.2 Модельные представления о поведении металлооксидных сверхпроводников в малых магнитных полях

1.2.3 Гипервихри

1.2.4 Проникновение вихрей Абрикосова и поверхностный барьер

1.3 Выводы и постановка задач на исследование

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА. ОБРАЗЦЫ

2.1 Обоснование выбора методики

2.2 Установка для исследований сверхпроводников в магнитных полях

2.3 Приготовление и аттестация образцов

2.3.1 Текстурированные металлооксиды

2.3.2 Керамические металлооксиды

2.3.3 Аттестация

ГЛАВА 3 ПРОНИКНОВЕНИЕ ВИХРЕЙ АБРИКОСОВА В ТЕКСТУРИРОВАННЫЕ ИТТРИЕВЫЕ МЕТАЛЛООКСИДЫ

3.1 Влияние фазового состава на процесс проникновения магнитного

3.1.1 Результаты экспериментальных исследований

3.1.2 Обсуждение результатов

3.2 Энергетический барьер входу вихрей

3.3 Фактор формы в текстурированных ВТСП и определение первого 76 критического поля

Введение диссертация по физике, на тему "Влияние макроструктуры высокотемпературного сверхпроводника Y-Ba-Cu-O на проникновение вихрей Абрикосова"

Актуальность темы. Обнаруженное у перовскитоподобных металлоок-сидных соединений явление сверхпроводимости на уровне азотных температур (1986г.) стало одним из значительных событий физики твердого тела конца XX века. Оно позволило говорить о перспективах практического использования высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). К этому времени существовал ряд низкотемпературных приборов и устройств, например, сверхвысокочувствительные навигационные и гравиметрические, которые изготовлены или включают конструктивные элементы из классических сверхпроводников. В основе работы этих устройств лежат уникальные свойства сверхпроводников — идеальный диамагнетизм, отсутствие сопротивления постоянному току и квантовые эффекты Джозефсона в слабосвязанных системах. Использование этих же свойств в металлооксидах открывает перспективы создания приборов на уровне температур порядка 100 К. Однако в отсутствии понимания природы высокотемпературной сверхпроводимости эта задача осложнена. В этой связи большую роль играют экспериментальные исследования физических процессов, протекающих в ВТСП в сложных внешних условиях. Одними из основных физических исследований являются изучение проникновения магнитного потока в объем сверхпроводника, зарождения и движения вихрей Абрикосова и Джозефсона. Исследование же процессов проникновения осложнено наличием в высокотемпературных сверхпроводниках энергетического барьера, параметра формы, гранулярной структуры и многофазности. Существенное влияние на свойства металлооксидов оказывают технологические параметры их получения. Установление связи между макроструктурой, технологическими параметрами и магнитными свойствами является задачей, которая в настоящее время полностью не решена. В этой связи изучение влияния технологических параметров, а значит макроструктуры, на магнитные свойства сверхпроводников остается для них актуальной задачей.

Тематика данной диссертационной работы соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденному президентом РАН (раздел 1.2 — «Физика конденсированного состояния вещества»). Данная работа является частью комплексных исследований, выполненных по госбюджетным темам НИР № ГБ 07.06 «Разработка и исследование физических процессов сверхпроводящих элементов криогенных устройств» и № ГБ 10.06 «Создание высокотемпературных сверхпроводников и исследование их физических свойств для гравиинерциальных приборов», а также по гранту ВП 1/09 «Влияние полей различной природы на нелинейные явления в гетерогенных системах с нано- и микроскопическим размером неоднородностей».

Цель и задачи работы. Установление закономерностей влияния фазового состава, энергетического барьера, геометрических размеров и технологических параметров на проникновение магнитного потока в высокотемпературный сверхпроводник У-Ва-Си-О.

Для достижения цели сформулированы следующие задачи:

1. Разработка и создание измерительных установок, позволяющих изучать процессы проникновения в сверхпроводник постоянных и переменных магнитных полей, в том числе и малых.

2. Получение и аттестация текстурированных и керамических металлоок-сидов на основе иттрия с различной макроструктурой.

3. Изучение влияния макроструктуры металлооксидов, в частности фазового состава (для текстурированных) и плотности (для керамических), на критические параметры.

4. Экспериментальное установление существования в текстурированных ВТСП энергетического барьера, созданного дефектным приповерхностным слоем; изучение характера проникновения магнитного поля.

5. Исследование влияния фактора формы на критические параметры тек-стурированного сверхпроводника и установление связи между полем проникновения и первым критическим.

Объект исследований. В качестве объектов исследования были выбраны металлооксиды на основе соединения УВа2Сиз07.5, полученные по керамической технологии и методом текстурирования в расплаве.

Выбор материалов обусловлен следующими причинами:

- иттриевые металлооксиды являются типичными представителями высокотемпературных сверхпроводников и могут рассматриваться (как однофазные, так и многофазные) при изучении физических процессов, протекающих в условиях воздействия внешних магнитных полей;

- многие физические свойства данных соединений хорошо изучены, что облегчает интерпретацию полученных в работе результатов;

- используемые технологии получения материалов в достаточной степени апробированы, что позволяет изготовлять образцы требуемых размеров хорошего качества с заданным фазовым составом и воспроизводимыми свойствами.

Научная новизна. В результате проведенных исследований в данной работе впервые:

1. Экспериментально установлено существование в текстурированных сверхпроводниках энергетического барьера, созданного дефектным приповерхностным слоем. Он проявляется в сложном характере проникновения магнитного поля. Зародившиеся вихри Абрикосова проникают в объем связками, как и в металлических сверхпроводниках.