Фазовий стан, пінінг та динаміка вихорів у монокристалах ВТНП із завданою топологією дефектів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР ІМ. Б.І. ВЄРКІНА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Фазовий стан, пінінг та динаміка вихорів у монокристалах ВТНП із завданою топологією дефектів

Спеціальність: Надпровідність

Бондаренко Олександр Володимирович

Харків, 2003 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Фазовий стан, формування сили пінінгу і динамічних властивостей вихрової системи у високотемпературних надпровідниках (ВТНП) викликають інтерес як з точки зору практичного використання цих матеріалів, так і з точки зору поглиблення фундаментальних знань в галузі фізики конденсованого стану. На відміну від низькотемпературних надпровідників, ВТНП матеріали мають велику глибину проникнення магнітного поля, (0) = 100 - 300, малу довжину когерентності, (0) = 0,2 - 2, суттєву анізотропію, M = 0,3 - 0,003, яка обумовлена шаруватою кристалічною структурою цих матеріалів, де m і М - відповідно ефективні маси уздовж ab-площини та вісі с. Поєднання цих значень параметрів з високими значеннями критичної температури, Тс = 30 - 120, призводить до виникнення нових вихрових фаз, наприклад, вихрової рідини, до специфічних особливостей пінінгу та динаміки вихорів Абрикосова, таких як значний термічно активований і квантовий крип, до суттєво немонотонної польової залежності сили, та іншим явищам, котрі не спостерігались у “холодних” надпровідниках.

Згідно з існуючими уявленнями, фазовий стан вихрової матерії, а також пінінг та динамічні властивості різних вихрових фаз визначаються співвідношенням поміж трьома енергіями: тепловою енергією Eth, пружною енергією Eel, та енергією пінінгу Epin абрикосівських вихорів.

Конкуренція поміж енергіями Eth та Eel визначає розташування лінії плавління вихрової гратки HM(T), конкуренція поміж енергіями Epin та Eel визначає тип вихрової фази в кристалічному стані, а співвідношення поміж енергіями Epin та Eth визначає розташування лінії необоротності Hirr(T), яка поділяє запінінгований та незапінінгований стан вихрової матерії. Енергії Eth, Eel та Epin мають різну температурну залежність, а в анізотропних матеріалах і різну кутову залежність. Крім того, енергія Epin залежить від дефектності матеріалу і, зокрема, від розмірів та вимірності дефектів, від рівня пригнічення надпровідного параметра порядку (НПП) на дефекті, а також від напрямку вектора магнітного поля відносно вітей протяжливих дефектів. Усі ці особливості призводять до виникнення численних вихрових фаз, таких як вихрова рідина, брегівське вихрове скло, аморфне вихрове скло, та інші. Формування сили пінінгу та динамічних властивостей цих фаз залежить від розглядаємої області температур і магнітного поля, а також від напрямку магнітного поля відносно кристалографічних вітей матеріалу та відносно вітей протяжливих дефектів.

Не зважаючи на величезний експериментальний та теоретичний матеріал, який накопичений при дослідженні питань формування вихрових фаз та пінінгу вихорів Абрикосова в ВТНП матеріалах, ціла низка проблем у цій галузі залишається невирішеною. До переліки останніх можна віднести:

1) формування сили пінінгу та динамічні властивості вихрової матерії в анізотропному випадку при реалізації пластичного механізму крипу;

2) експериментальне спостереження крипу не взаємодіючих вихорів, реалізація котрого передбачається у слабких магнітних полях в присутності слабкого хаотичного потенціалу пінінгу;

3) експериментальне визначення величини анізотропії сили пінінгу та деформації характерних розмірів вихрових ниток, які захоплені двійниками;

4) експериментальне визначення області кутів поміж вектором магнітного поля та площиною двійників в анізотропному випадку, у якій двійники змінюють конфігурацію вихрових ниток, та експериментальне визначення конфігурації вихрових ниток у похилих полях;

5) вивчення закономірностей впливу двійників на анізотропію пінінгу вихрової матерії при різній орієнтації сили Лоренця відносно площини двійників.

Рішення цих проблем визначається отриманням надійних експериментальних даних на зразках з контролюємо дефектністю кристалічної структури і має важливе значення для розуміння механізмів формування фаз і сили пінінгу вихрової матерії, а також для прогнозування можливості отримання ВТНП матеріалів з високою струмонесучою спроможністю у магнітних полях. Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Робота виконана на кафедрі фізики низьких температур Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна. Викладені в дисертаційній роботі результати були отримані при виконанні наукових робіт в рамках програм Міністерства освіти і науки України:

1) “Створення та дослідження ВТНП-матеріалів з метою підвищення параметрів надпровідного стану” рішення Експертної Ради Міністерства освіти України від 06.12.91 р., протокол №8;

2) “Вплив заміни елементів у шаруватих сполуках на надпровідність”, тема 1-12-94, ДР №0194U012806;

3) “Дослідження властивостей анізотропних систем, які мають фазові перетворення хвилі зарядової густини та надпровідності і є матеріалами для отримання нетрадиційних джерел енергії” тема 1-12-97, ДР №0197U002508;

4) “Транспортні властивості монокристалів високотемпературних надпровідників та сполук, що мають фазовий перехід типу хвилі зарядової густини” тема 1-12-00, ДР №0100U003275, та проектів ДКНТ України “Вплив дисипативних процесів на струмонесучу спроможність ВТНП матеріалів”, ДР №9.01.04/117-92, шифр “Пинінг”, “Резистивні та магнітні дослідження динаміки і плавління вихрової гратки у монокристалах YBaCuO” ДР №9.01.04/032-93, шифр “Вихор”.

При виконанні цих проектів автор був відповідальним за проведення досліджень пінінгу та динаміки магнітного потоку у ВТНП-матеріалах, був відповідальним виконавцем теми “Пінінг” та керував виконанням проекту “Вихор”.

Мета і задачі дослідження. Кінцева мета досліджень полягала у виявлені ролі точкових і площинних дефектів кристалічної структури в формуванні фазового стану, сили пінінгу та параметрів крипу вихрової матерії, а також у виявлені ролі дефектів вихрової гратки на процеси розсіювання енергії у ВТНП матеріалах.

Об'єкт дослідження - взаємодія вихорів Абрикосова з дефектами кристалічної структури і періодичним потенціалом пінінгу, обумовленим шаруватою кристалічною структурою, в ВТНП матеріалі YBa2Cu3O7.

Предмет дослідження - фазовий стан вихрової матерії, та формування сили пінінгу і параметрів крипу різних вихрових фаз.

Для досягнення кінцевої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Отримати зразки високої якості з контрольованою дефектністю структури. При вирішенні цієї задачі передбачалось:

а) виростити досконалі монокристали значних розмірів в ab-площині, (3-5)-(3-5) мм. кв., та малим розміром уздовж вісі с, 10-20 мкм;

б) отримати без двійникові кристали із завданою концентрацією точкових дефектів, виготовити місточки з односпрямованими межами двійників для проведення транспортних досліджень пінінгу та динаміки магнітного потоку при густині сталого струму до 105 А/см. кв.

2. Встановити характер і масштаби просторового перерозподілу лабільного кисню при кімнатних температурах у зразках з різним дефіцитом кисню;

3. Встановити закономірності формування фазового стану, сили пінінгу та параметрів крипу вихрової матерії при зміні концентрації точкових дефектів;

4. Встановити закономірності формування сили пінінгу анізотропної вихрової гратки і оцінити силу власного пінінгу вихорів, яка обумовлена шаруватою кристалічною структурою надпровідника;

5. Встановити закономірності впливу двійників на фазовий стан вихрової матерії, оцінити величину анізотропії сили пінінгу захоплених двійниками вихрових ниток, встановити розміри поперечних деформацій вихрових ниток у похилих відносно меж двійників (МД) магнітних полях, та встановити закономірності впливу двійників на силу пінінгу анізотропної вихрової гратки при різних орієнтаціях сили Лоренця відносно площини МД.

Методи дослідження. Фазовий стан, пінінг і динамічні властивості вихрової матерії вивчали магнітним та транспортним методами. Магнітні дослідження проводили на промисловому СКВІД-магнітометрі MPMS-II в інтервалі температур 5-93К і в магнітних полях до 55 кЕрст. Величину “критичного” струму в області термічно активованого крипу визначали з відмірювань петель намагнічування в рамках загальновизнаної моделі критичного стану. Динамічні властивості вихрової матерії вивчали через вимірювання ізотермічної релаксації магнітного моменту після зміни зовнішнього магнітного поля.

Транспортні дослідження проводили на кристалах або місточках, які вирізали з монокристалів, а площини МД в вимірюваній частині зразків завжди були орієнтовані в одному напрямку. Дослідження проводили при різній орієнтації зовнішнього поля як відносно кристалографічних напрямків, так і відносно площин МД, а також при різній орієнтації сили Лоренця відносно площин МД. Вимірювання проводили в області термічно активованого крипу і в області в'язкої течії магнітного потоку. При необхідності дослідження руху магнітного потоку не колінеарному напрямку дії сили Лоренця проводили вимірювання як поздовжньої, так і поперечної компонент електричного поля.

Наукова новизна отриманих результатів. При виконанні роботи було отримано ряд нових науково обґрунтованих результатів та сформульовані положення, які мають важливе значення для розуміння процесу утворення вихрових фаз, а також формування сили пінінгу і параметрів крипу вихрової матерії в присутності точкових та площинних дефектів кристалічної структури ВТНП матеріалу YBa2Cu3O7. На думку автора, серед основних науково обґрунтованих пріоритетних результатів принциповий характер мають наступні положення:

1. Вперше експериментально доведено, що при малій концентрації точкових дефектів реалізується пінінг не взаємодіючих вихорів, при якому струм депінінгу і енергія активації крипу не залежать від величини магнітного поля та від орієнтації магнітного поля відносно кристалографічних напрямків кристалу, а диференціальний опір в області в'язкої течії магнітного потоку асимптотично наближується до опору в'язкої течії в моделі Бардіна-Стефена. Ці закономірності приписуються властивостям впорядкованої вихрової гратки;

2. Вперше експериментально доведені наступні закономірності зміни сили пінінгу і параметрів крипу магнітного потоку при великій концентрації точкових дефектів:

а) струм депінінгу підвищується при зростанні концентрації точкових дефектів як при пружному, так і при пластичному механізмі крипу, а енергія активації крипу підвищується при зростанні концентрації точкових дефектів тільки при пружному механізмі крипу;

б) струм депінінгу постійно зростає з магнітним полем, а спостерігаємо в великих полях зменшення сили пінінгу в області крипу обумовлено зменшенням енергії активації крипу;

в) енергія активації при пластичному крипі зростає при нахилі вектора поля від вісі с, що узгоджується з проведеними теоретичними розрахунками, а її струмова залежність аналогічна залежності енергії активації крипу дислокацій в твердому тілі від механічного напруження.

3. Вперше експериментально встановлені наступні закономірності впливу двійників на формування фазового стану а також пінігу вихрової матерії:

а) сила пінінгу захоплених двійниками вихорів перевищує силу пінінгу вихорів в об'ємі кристалу на 20-40% при їх русі уздовж МД, а при їх русі перпендикулярно МД - на один-три порядки за величиною, в залежності від досліджуваної області температур;

б) двійники впливають на пінінг магнітного потоку при кутах разорієнтації поміж вектором магнітного поля та площиною двійників до 70С при нахилі вектора поля від вісі с, і до 10С при обертанні в ab-площині, що обумовлено захопленням двійниками частки вихрових сегментів;

в) при відхилі магнітного поля від площин МД впорядкована вихрова гратка, яка існує в паралельних полях, перетворюється в невпорядковану у похилих полях;

г) в слабких полях при орієнтації сили Лоренця перпендикулярно площинам двійників критичний струм зменшується при нахилі магнітного поля від вісі с обернено пропорційно збільшенню складовій сили Лоренця уздовж с-вісі.

4. При реалізації пінінгу на точкових дефектах встановлені наступні закономірності еволюції сили пінінгу при відхиленні магнітного поля від ab-площини:

а) в слабких полях сила пінінгу при кутах Н, ab менших за критичний cr не залежить від кута, що обумовлено захопленням вихрових ниток поміж надпровідними CuO-площинами, а величина cr зменшується при зростанні магнітного поля;

б) в похилих полях динаміка магнітного потоку визначається силою пінінгу вихрових сегментів, які орієнтовані уздовж вісі с, що дорівнює силі пінінгу вихорів при орієнтації поля уздовж с-вісі кристала.

Практичне значення отриманих результатів. Основні результати роботи були отримані вперше і вони можуть бути використані при вирішенні фундаментальних проблем, які пов'язані з фазоутворенням та формуванням сили пінінгу і параметрів крипу анізотропної вихрової матерії в присутності точкових та площинних дефектів з пригніченим НПП.

Оскільки досліджена проблема взаємодії вихрової гратки з дефектами кристалічної структури є часткою більш загальної проблеми взаємодії періодичних структур з хаотичним потенціалом, то отримані результати можуть бути корисними і при вивченні динамічних характеристик таких періодичних структур, як хвилі зарядової та спінової густини.

Отримані результати можуть бути використані для прогнозування струмонесучої спроможності ВТНП-матеріалів у магнітному полі при зміні концентрації точкових дефектів, а також при зміні напрямку магнітного поля відносно площин двовимірних дефектів. Ряд наукових результатів буде використано при викладанні спецкурсів і на лабораторному практикумі для студентів кафедри фізики низьких температур Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна.

Особистий внесок автора. Автору належить формулювання теми і мети досліджень, обґрунтування більшої частки вирішених задач, та постановка магнітних і транспортних досліджень. Експериментальні вимірювання, обробка експериментальних даних та їх теоретичний аналіз виконані автором, або за його безпосередньою участю. Він є автором 3 одноосібних наукових робіт.

Автором сформульовані і обґрунтовані висновки і положення окремих розділів, та підсумкові висновки і узагальнення результатів проведених досліджень.

Апробація результатів роботи. Матеріали і результати досліджень доповідались та обговорювались на 14-ій Міжнародній конференції по кріогенним матеріалам (м. Київ, 1992 р.), на 7-ій Міжнародній конференції по критичним струмам в надпровідниках (м. Альпбах, Австрія, 1994 р.), на Міжнародній конференції з фізичних аспектів надпровідності (м. Харків, 1995 р.), на 2-ій Міжнародній конференції по матеріалознавству ВТНП (м. Харків, 1995 р.), на V-ій тристоронній конференції Німеччина-Україна-Росія з проблем ВТНП (м. Нижній Новгород, Росія, 1997 р.), на Міжнародних конференціях з фізики низьких температур LT21 (м. Прага, Чехія, 1997 р.) та LT22 (м. Хельсінки, Фінляндія, 1999 р.), на Міжнародній конференції з магнітних та надпровідних матеріалів (м. Тегеран, Іран, 1999 р.).

Публікації. Основні результати, що увійшли до дисертації, опубліковані у 27 наукових статтях у провідних вітчизняних та закордонних наукових журналах, а також у 4 статтях, опублікованих в збірниках матеріалів міжнародних конференцій.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, та переліку використаних джерел. Повний об'єм складає 303 сторінки і містить перелік умовних позначень та скорочень, що займає 3 сторінки, 69 рисунків та ілюстрацій, з яких 4 займають повні сторінки, 2 таблиці, та перелік посилань з 205 найменувань, що займає 21 сторінку.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані актуальність і доцільність роботи для вирішення проблеми формування фазового стану, сили пінінгу і параметрів крипу вихрової матерії в ВТНП матеріалах, сформульовано мету і задачі досліджень, стисло викладені експериментальні методи досліджень поставлених задач, показано наукову новизну отриманих результатів, а також їх наукове та практичне значення.

Перший розділ “Об'єкти та методи досліджень” присвячений характеристиці досліджених зразків, детальному опису експериментальних методик досліджень, та метрологічних характеристик експериментальних стендів. Зокрема, у першій частині описаний метод вирощування монокристалів ВТНП YBa2Cu3O7, їх термічна обробка в атмосфері кисню з метою отримання зразків з різним вмістом кисню, метод отримання без двійникових кристалів, та методика створення точкових дефектів шляхом опромінювання електронами з енергією 2,5 МеВ при низьких температурах. Також, наведені результати структурних і оптичних досліджень дефектності кристалічної структури отриманих монокристалів.

У другій частині описані критерії вибору кристалів і метод виготовлення місточків для проведення транспортних досліджень, та описано розташування потенціальних контактів для вимірювання поздовжнього і поперечного електричного поля при дослідженні пінінгу і динаміки магнітного потоку у випадках, коли напрямок руху вихорів не колінеарний напрямку дії сили Лоренця.

У третій частині наведені експериментальні методи проведених досліджень:

1) резистивний метод дослідження перерозподілу лабільного кисню при кімнатних температурах у кристалах з різним вмістом кисню після стрибкоподібної зміни температури та під дією високого гідростатичного тиску;

2) магнітний метод дослідження фазової діаграми вихрової матерії, а також пінінгу і динаміки магнітного потоку;

3) транспортний метод дослідження пінінгу і динаміки вихрової матерії, включаючи анізотропію цих характеристик, яка обумовлена шаруватою кристалічною структурою та присутністю двовимірних дефектів у вигляді меж двійників.

Також, наведені основні метрологічні характеристики приладів і обладнання, яке використовувалось при проведенні експериментальних досліджень.

У другому розділі “Перерозподіл кисню при кімнатних температурах у кристалах з різним вмістом кисню” наведені результати вимірювання електроопору при кімнатних температурах після зміни температури на величину Т = 20 - 30, або під дією гідростатичного тиску Р = 1 - 5 кбар. Ці результати свідчать, що після зміни температури або гідростатичного тиску електроопір до нового рівноважного значення протягом кількох діб у процесі ізотермічної витримки зразка.

На підставі вимірювань при різних температурах було встановлено, що процес релаксації опору термоактивований, а величина енергії активації релаксації електроопору узгоджується з величиною енергії активації дифузії кисню. Останнє вказує на те, що релаксація опору обумовлена перерозподілом лабільного кисню. Доведено, що процес релаксації електроопору оборотний: після встановлення початкового значення температури або тиску встановлюється початкове значення опору після ізотермічної витримки зразка протягом кількох діб. Вимірювання проводили в атмосфері гелію або у суміші трансформаторного мастила та керосину, що виключало процес поглинання кисню зразком в процесі вимірювання.

Тому зворотність опору свідчить про те, що вміст кисню в зразках не змінюється в процесі вимірювань, а зміна опору обумовлена тільки перерозподілом кисню. Цей висновок узгоджується із структурними дослідженнями. На підставі отриманих експериментальних даних було розраховано, що просторовий масштаб, на якому здійснюється перерозподіл кисню, приблизно дорівнює 30 нм.

Відомо, що перерозподіл кисню супроводжується зміною параметрів кристалічної гратки і критичної температури Тс. Останнє інтерпретується в літературі зміною кисневого оточення атомів міді в площині CuO. Проведені в роботі дослідження впливу гідростатичного тиску на перерозподіл кисню та на значення Тс показали, що зміна Тс головним чином (приблизно на 80%) визначається величиною тиску і тільки 20% зміни Тс визначається перерозподілом кисню, який спостерігається після зміни величини тиску. Проведені в роботі розрахунки показали, що величина зміни Тс при зменшенні параметрів кристалічної гратки під дією гідростатичного тиску корелює з величиною зміни Тс при зменшенні параметрів кристалічної гратки в процесі перерозподілу кисню. На підставі цих результатів робиться висновок, що зміна Тс, яка спостерігається при перерозподілі кисню, в першу чергу визначається зміною параметрів кристалічної гратки, яка супроводжує перерозподіл кисню.

Третій розділ “Вплив точкових дефектів на фазовий стан вихрової матерії і пінінг різних вихрових фаз” складається з трьох частин. В першій частині дається огляд теоретичних та експериментальних досліджень фазової діаграми і формування сили пінінгу та параметрів крипу вихрової матерії у ВТНП матеріалах в присутності точкових дефектів.

Зокрема, розглядаються результати досліджень фазового переходу вихрова рідина - вихровий кристал в присутності слабкого і сильного точкового потенціалу пінінгу, а також можливість пінінгу вихрової рідини в останньому випадку. Потім аналізуються основні висновки теорії колективного пінінгу (ТКП), яка припускає існування невпорядкованої кристалічної вихрової гратки (ВГ) в присутності скільки завгодно слабкого точкового потенціалу пінінгу. Підкреслюється, що в рамках цієї теорії здійснюється пружний механізм крипу, а сила і енергія пінінгу не залежать від величини магнітного поля в слабких полях.

При збільшенні поля сила пінінгу зменшується, а енергія пінінгу зростає при збільшенні величини магнітного поля. Аналізується також альтернативна модель переходу впорядкована ВГ - не впорядкована ВГ, яка припускає існування впорядкованої ВГ (брегівського скла) в слабких полях і невпорядкованої ВГ (аморфного скла) в сильних полях. Завдяки різній польовій залежності цих енергій в слабких полях домінує пружна енергія і реалізується фаза брегівського скла, а в сильних полях домінує енергія пінінгу і реалізується фаза аморфного скла. Відзначається, що основним висновком цієї теорії є поява дефектів в аморфному склі у вигляді дислокацій, гвинтові компоненти котрих призводять до переплетіння вихрових ниток, що і викликає зростання сили пінінгу внаслідок розмірного кросоверу. В кінці першої частини наведені результати досліджень пластичного механізму крипу, який обумовлений рухом дислокацій ВГ.

У другій частині викладені оригінальні результати дослідження фазової діаграми, пінінгу і динаміки вихрової матерії магнітним методом, які були отримані з дослідження двох кристалів YBa2Cu3O7 з різним дефіцитом кисню, 0,03 та 0,1, при орієнтації поля H та c.

У третій частині приведено результати транспортних досліджень, які проводили на місточках, вирізаних з монокристалів з малим дефіцитом кисню, 0,03. Вимірювання проводили при орієнтації поля H та c. У першому місточку (М1) вектор струму J був перпендикулярний до площин МД і, відповідно, сила Лоренця і напрямок руху вихорів були паралельні до площин двійників.

При такому напрямку руху сила пінінгу вихорів занурених в об'єм кристала і вихорів захоплених двійниками визначається тільки взаємодією з точковими дефектами.

Відзначається також ще один результат, який має суттєве значення з методичної точки зору: струм депінінгу, визначаємий екстраполяцією лінійних частин ВАХ, які відповідають в'язкій течії, до нульового значення електричного поля в межах похибки експерименту дорівнює струму депінінгу, визначаємого екстраполяцією відношення dff, що відповідає режиму крипу, в значення, що дорівнює одиниці. Ця закономірність дозволяє визначати величину струму депінінгу у випадках, коли неможливо проводити вимірювання в області в'язкої течії потоку.

У третій частині розглядається також вплив концентрації точкових дефектів на пінінг та динаміку магнітного потоку. Вимірювання проводили при орієнтації поля H та c на місточку М2, з дефіцитом кисню 0,03. Хоча сила Лоренця в зразку була орієнтована під кутом 45С до МД, припускалось, що рух магнітного потоку здійснюється уздовж площин МД. Це припущення ґрунтується на тому, що сила пінінгу при такому напрямку руху на порядок величини менша за силу пінінгу при русі потоку крізь площину МД. Тому в цьому випадку, як і в попередньому, ми досліджували вплив точкових дефектів. Концентрацію точкових дефектів підвищували випромінюванням зразка електронами з енергією 2,5 МеВ при Т = 10К. Після опромінювання вимірювання ВАХ проводили без підігріву зразка вище за 100 К, що виключало дифузію і, відповідно, анігіляцію.

Яка є характерною для пластичного крипу і плине з аналогії до крипу дислокацій у твердому тілі. На підставі виміряних ВАХ були отримані польові залежності струму депінінгу і енергії активації крипу при апроксимації експериментальних залежностей E(J).

Як видно, критичні струми Jc та Jpl зростають як при зростанні поля, так і при зростанні концентрації дефектів. Про те енергія активації при пружному крипі майже не залежить від поля і зростає при підвищенні концентрації дефектів, а при пластичному крипі вона зменшується як з ростом поля, що узгоджується з співвідношенням, так і при підвищенні концентрації дефектів. Отримані польові залежності струму Jc і енергії U0 не узгоджуються з висновками ТКП, а спостерігаємо зростання струмів Jc та Jpl з магнітним полем узгоджується з передбаченнями моделі ПБАС. Оскільки при високій концентрації дефектів очікується реалізація фази аморфного скла, то виявлені закономірності еволюції критичного струму та енергії активації крипу при зростанні поля і концентрації точкових дефектів можна віднести до характерних особливостей цієї вихрової фази.

В четвертому розділі “Вплив двійників на фазовий стан і пінінг вихрової матерії, а також на конфігурацію вихрових ниток” представлені результати досліджень анізотропіії пінінгу захоплених двійниками вихорів, визначений вплив цієї анізотропії на особливості динаміки магнітного потоку поблизу температури плавління вихрової гратки, та визначений вплив двійників на формування фазового стану і особливості динаміки вихрової матерії у похилих відносно площини МД магнітних полях.

В цьому розділі аналіз теоретичних та експериментальних досліджень, які були опубліковані у літературі, дається безпосередньо на початку кожного підрозділу.

У п'ятій частині обговорюються причини зміни критичного струму і динамічних характеристик кристалічної вихрової фази поблизу температури плавління вихрової гратки при відхиленні вектора Н від вісі с і площини МД на кут 9С у випадку, коли вектор FL та МД. Перш за все, відзначається зміна величини струму депінінгу і режиму крипу.

У паралельному полі ВАХ описувались рівнянням з показником степені 1, а у похилому - рівнянням, а струм депінінгу у похилому полі завжди вищий, аніж у паралельному. Така поведінка інтерпретується існуванням брегівської фази у паралельному полі, яка переходить до аморфної фази у похилому полі. Підставою для цього є:

1) посилення ефективного модуля згину у паралельному полі, що призводить до гіршої адаптації вихрових ниток просторі до ландшафту точкового потенціалу пінінгу і, як наслідок, до зменшення струму депінінгу і реалізації впорядкованої ВГ;

2) виникнення поперечних деформацій u вихрових ниток поблизу МД у похилому полі, які, як було показано вище, призводять до зменшення енергії зсування вихрових сегментів на між вихрову відстань, тобто енергії необхідної для переплетіння вихрових ниток і, відповідно, формування аморфної фази.

У п'ятому розділі “Анізотропія пінінгу, яка обумовлена шаруватою кристалічною структурою та двійниками” розглядаються результати транспортних досліджень пінінгу та динаміки кристалічної вихрової фази при відхилі вектора Н від вісі с до ab-площини при різній орієнтації сили Лоренця відносно площин МД. У першій частині обговорюються результати, які були отримані при орієнтації вектора FL та МД. Як вже відзначалось, за таких умов експерименту ми досліджуємо вплив точкових дефектів. Результати вимірювання у полі 15 кЕрст. Як видно, при малих струмах та при значеннях кута H,МД >15С виміряні ВАХ майже не відрізняються.

Така поведінка інтерпретується переходом від брегівської фази при 90С до аморфної фази при кутах <90С. Оскільки в останньому випадку вихрові нитки пересікають площини МД, то внаслідок цього виникають значні поперечні деформації вихрових ниток поблизу МД, що і призводить до брегівського скла, як це обговорювалось вище. При цьому підкреслюється різниця поміж динамікою аморфного скла при орієнтації вектора Н поблизу с-вісі, та її динамікою при 20-50С. У першому випадку спостерігається пластичний, а у другому - пружний крип. Це пояснюється різними кутовими залежностями енергії активації для цих двох механізмів крипу.

ВИСНОВКИ

У роботі узагальнені експериментальні і теоретичні результати, які були отримані при дослідженні впливу точкових та площинних дефектів з пригніченим надпровідним параметром порядку на формування фазового стану, сили пінінгу та параметрів термічно активованого крипу анізотропної вихрової гратки. Для отримання експериментальної інформації про ці процеси використовували магнітний та транспортний методи досліджень.

Достовірність одержаних результатів забезпечувалась використанням добре апробованих експериментальних методів та сучасного обладнання, коректним урахуванням похибок вимірювань, інтерпретацією експериментальних даних у рамках відомих теоретичних підходів, та узгодженням з результатами, які були отримані іншими авторами.

В присутності малої концентрації точкових дефектів встановлені наступні закономірності які стосуються динамічних властивостей впорядкованої вихрової гратки: надпровідник пінінг магнітний

1. В слабких магнітних полях реалізується пінінг не взаємодіючих вихорів при якому струм депінінгу і енергія активації крипу не залежать від величини магнітного поля та від орієнтації магнітного поля відносно кристалографічних напрямків кристалу і, відповідно, в області термічно активованого крипу швидкість руху магнітного потоку не залежить від величини та орієнтації магнітного поля відносно кристалографічних напрямків кристалу. Спостерігаємо ж при зростанні магнітного поля зменшення “критичних” струмів Jm (при магнітних вимірюваннях) та JE (при транспортних вимірюваннях для фіксованого значення електричного поля) в області термічного крипу обумовлено збільшенням рівня дисипації енергії в одиничному об'ємі при незмінній швидкості руху магнітного потоку за рахунок збільшення щільності вихрових ниток;

2. В області малих магнітних полів здійснюється пружний крип і енергія активації крипу необмежено зростає при зменшенні транспортного струму, з незмінною величиною показника степені удалині від температури плавління вихрової гратки, а при наближенні до точки плавління величина зменшується до значення;

3. Диференціальний опір в області термоактивованого крипу експоненціальне зменшується з транспортним струмом, а в області в'язкої течії магнітного потоку асимптотичне наближується до опору в'язкої течії в моделі Бардіна-Стефена. При цьому величина струму депінінгу, визначаємого екстраполяцією лінійних частин ВАХ (які відповідають в'язкій течії) в нульове електричне поле в межах похибки вимірювань дорівнює величині струму депінінгу, який визначається екстраполяцією відношення (яке відповідає режиму крипу) до значення, що дорівнює одиниці. Ця закономірність дозволяє визначати величину струму депінінгу у випадках, коли неможливо проводити вимірювання в області в'язкої течії потоку через перегрів зразків.

При зміні концентрації точкових дефектів та при збільшенні величини магнітного поля спостерігаються наступні закономірності еволюції сили пінінгу і параметрів крипу магнітного потоку, які стосуються динамічних властивостей невпорядкованої вихрової гратки:

1. Струм депінінгу зростає з концентрацією точкових дефектів як при пружному, так і при пластичному крипі, а енергія активації крипу зростає з концентрацією точкових дефектів тільки при здійсненні пружного механізму крипу;

2. Вдалині від точки плавління вихрової гратки струм депінінгу постійно зростає з магнітним полем, а спостерігаємо в великих полях зменшення сили пінінгу в області крипу обумовлено зменшенням енергії активації крипу при зростанні магнітного поля. При цьому, енергія активації крипу не залежить від величини магнітного поля при здійсненні пружного механізму крипу;

3. При здійсненні пластичного механізму крипу струмова залежність енергії активації аналогічна залежності енергії активації крипу дислокацій в твердому тілі від механічного напруження, а величина енергії активації зростає при відхиленні вектора магнітного поля від вісі с, що узгоджується з проведеними теоретичними та числовими розрахунками.

Встановлені наступні закономірності впливу двійників на формування фазового стану, сили пінінгу і параметрів крипу вихрової матерії:

1. Струм депінінгу захоплених двійниками вихорів перевищує струм депінінгу вихорів в об'ємі кристалу на 20-40% при їх русі уздовж меж двійників і, в залежності від розглядаємої області температур, на один-два порядку величини при їх русі перпендикулярно до МД;

2. Двійники впливають на пінінг магнітного потоку при кутах разорієнтації поміж вектором магнітного поля та площиною двійників до 70С при відхиленні вектора магнітного поля від вісі с і до 10-15С при обертанні вектора магнітного поля у ab-площині, що обумовлено захопленням двійниками частки вихрових сегментів;

3. Впорядкована вихрова гратка, яка реалізується в паралельних двійникам магнітних полях, перетворюється в невпорядковану в похилих відносно площин двійників полях, що обумовлено виникненням поперечних деформацій вихрових ниток поблизу меж двійників в похилих полях. При здійсненні цього переходу струм депінінгу зростає. Також, поблизу температури плавління вихрової гратки спостерігається перехід від пружного крипу до пластичного, а вдалині від температури плавління вихрової гратки обидві фази характеризуються пружним крипом, але енергії активації цих фаз мають різну струмову залежність: для невпорядкованої гратки енергія активації зростає при зменшенні транспортного струму значно скоріше ніж для впорядкованої;

4. В слабких магнітних полях при орієнтації сили Лоренця у площині перпендикулярній площинам двійників критичний струм зменшується при відхиленні магнітного поля від вісі с обернено пропорційно збільшенню складової сили Лоренца уздовж с-вісі.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Veal B.W, You H., Paulicas A.P. et al.(6 auth.). Time-dependent superconducting behavior of oxygen-deficient YBa2Cu3Ox: Possible annealing of oxygen vacancies at 300 K // Phys. Rev. - 1990. - V. B42, №3. - P. 4770-4773.

2. Blatter G., Feigel'man M.V., Geshkenbein V.B., Larkin A.I., Vinokur V.M. Vortices in high-temperature superconductirs // Rev. Mod. Phys. - 1994.- V. 66, №4, P. 1125-1388.

3. Etras D., Nelson D. R. Irreversibility, mechanical entanglement and thermal melting in superconducting vortex crystals and point impurities // Physica C - 1996. - V. 272, №1,2 - P. 79-86.

4. AbulafiaY., Shaulov A., Wolfus Y. et al. (10 auth.). Plastic vortex creep in YBa2Cu3O7-x crystals // Phys. Rev. Lett. - 1996 - V.77, №8. - P. 1596-1599.

5. Krusin-Elbaum L., Civale L., Vinokur V. M., Holtzberg F. “Phase diagram” of the vortex-solid phase in Y-Ba-Cu-O crystals: a crossover from single-vortex (1D) to collective (3D) pinning regimes // Phys. Rev. Lett. - 1992 - V.69, №15. - P. 2280-2283.

6. Herbsommer J.A., Nieva G., Luzuriaga. Interplay between pinning energy and vortex interaction in YBa2Cu3O7-x with oriented twin boundaries in tilted magnetic fields: Bitter decoration and tilt-modulus measurements // Phys. Rev. B - 2000 - V. 62, №5. - P. 3534-3541.

7. Kwok W.K., Fendrich J.A., Vinokur V.M. et al. (5 auth), Vortex shear modulus and lattice melting in twin boundary channels of YBa2Cu3O7 // Phys. Rev. Lett. - 1996 - V.76, №24. - P. 4596-4599.

8. Shklovskij V.A., Anisotropic pinning and the mixed-state galvanomagnetic properties of superconductors - a phenomenological approach // ФНТ - 1997. - т. 23, №9. - с. 1134-1139.

Размещено на Allbest.ru