Ефекти сумірності вихорових ґраток у надпровідних шаруватих системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

кандидата фізико-математичних наук: "ЕФЕКТИ СУМІРНОСТІ ВИХОРОВИХ ҐРАТОК У НАДПРОВІДНИХ ШАРУВАТИХ СИСТЕМАХ"

01.04.22 - Надпровідність

Юзефович Ольга Ігорівна

Харків - 2002



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

Фогель Ніна Яківна,

Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, провідний науковий співробітник відділу надпровідних і мезоскопічних структур.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор,

Оболенський Михайло Олександрович,

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри фізики низьких температур.

доктор фізико-математичних наук,

Белевцев Борис Йосипович,

Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, провідний науковий співробітник відділу кінетичних властивостей металів.

Провідна установа: Інститут Фізики НАН України,

лабораторія теорії недосконалих кристалів, м. Київ

Захист відбудеться “16” квітня 2002 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.175.03 по захисту докторських дисертацій при Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України за адресою: 61103, м. Харків, пр. Леніна, 47.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ФТІНТ ім. Б.І. Вєркіна НАН України (м. Харків, пр. Леніна, 47).

Автореферат розісланий “15” березня 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.175.03

доктор фізико-математичних наук Сиркін Є.С.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження властивостей шаруватих надпровідників, до числа яких належать і високотемпературні металооксидні надпровідники (ВТНП), є в останні роки одним із пріоритетних напрямків розвитку фізики твердого тіла.

Відкриття високотемпературної надпровідності дало початок новому етапу у дослідженні надпровідних матеріалів. Стало очевидним, що високі температури надпровідного переходу (~ 100 К) у металооксидах відкривають небувалі можливості для більш широкого практичного використання цих нових надпровідних сполук. Величезні наукові, технічні і матеріальні ресурси в усьому світі були спрямовані на вивчення та оптимізацію властивостей нових надпровідників. Незважаючи на це, до сьогоднішнього дня не існує однозначного пояснення аномально високих температур переходу у ВТНП, і це питання залишається в центрі уваги дослідників. Було виявлено, що критичні струми у ВТНП, які визначають можливості їхнього використання в потужнострумових застосуваннях, істотно нижчі, ніж у звичайних надпровідних матеріалах, і проблема підвищення критичних струмів також є дуже актуальною.

Істотною рисою всіх ВТНП є шарувата структура, що зумовлює значну анізотропію більшості фізичних характеристик, таких як питомий опір, критичні магнітні поля, характерні надпровідні довжини (глибина проникнення, довжина когерентності) і т.д.

Один з найбільш ефективних шляхів дослідження властивостей шаруватих надпровідників пов'язаний з використанням модельних об'єктів - періодичних надпровідних надґраток (НҐ), які складаються із шарів надпровідного і ненадпровідного матеріалів, що чергуються. Такі системи прекрасно імітують властивості ВТНП оксидів. До числа найбільш важливих переваг НҐ належить можливість бажаним образом змінювати товщину шарів, період надструктури й енергію зв'язку між надпровідними шарами. Важливо також, що при нинішньому рівні технології структурна досконалість НҐ може бути значно кращою, ніж у природних шаруватих кристалів. До цього часу на надпровідних НҐ різного типу (MoGe/Ge, Mo/Si, W/Si та ін.) широко досліджені різні ефекти, які пов'язані з впливом термічних флуктуацій, фазова Н-Т діаграма у вихоровому стані, явище кросоверу, кріп потоку [1-6]. Наявність шаруватої періодичної структури та анізотропії повинна призводити до істотних відмінностей структури вихорових ґраток (ВҐ) шаруватих надпровідників від звичайних абрикосівських ВҐ. Існують численні теорії, які прогнозують ряд нетривіальних особливостей структури ВҐ у таких системах (див., наприклад, [7-12]). Однак, тільки деякі з цих теоретичних прогнозів підтверджені експериментально, тому що відомі методи дослідження ВҐ (техніка декорування, розсіювання нейтронів, скануюча мікроскопія за допомогою СКВІД, лоренцівська мікроскопія та ін.) можуть бути використані переважно в області слабких магнітних полів. У ВТНП матеріалів і в штучних НҐ значення верхніх критичних полів дуже високі, і тому розробка нової техніки визначення структури ВҐ, яка може бути застосовна в широкій області полів, є актуальною задачею, що має як наукове, так і прикладне значення. Прикладний аспект зв'язаний з можливістю використання такої методики для дослідження широкого спектра надпровідних матеріалів. З наукового погляду великий інтерес представляє вивчення характеру проникнення вихорів у шаруваті структури, статичних властивостей ВҐ у магнітних полях різної орієнтації, впливу анізотропії та ефекту сумірності на властивості шубніковської фази.

Зв'язок роботи з науковими темами, планами. Дисертаційна робота виконана у Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І.Вєркіна НАН України відповідно до теми “Нелінійні квантові явища та електроніка надпровідників”, номер державної реєстрації 0196U002948. Результати дисертаційної роботи викладені в розділі 7 заключного звіту з даної теми, обліковий номер 0201U001663.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи було з'ясування структурних особливостей вихорових ґраток, виявлення структурних фазових переходів у змішаному стані в шаруватих надпровідниках і тонких плівках, і порівняння структури ВҐ у шаруватих системах з абрикосівськими вихоровими ґратками однорідних надпровідників II роду. вихоровий фазовий напівпровідник

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі конкретні задачі:

дібрати структурні і надпровідні параметри шаруватих зразків таким чином, щоб можна було досліджувати широкий спектр завдань, які сформульовані вище;

розробити методику дослідження структури ВҐ, яка могла би бути застосовна в широкій області полів і придатна для використання при різних орієнтаціях магнітного поля відносно площини шарів зразка;

визначити надпровідні критичні параметри зразків і параметр анізотропії;

дослідити резистивні властивості та критичні струми НҐ та тонких плівок у широкому інтервалі температур, магнітних полів і кутів розорієнтації між полем і площиною зразка;

розглянути існуючі теоретичні моделі і, в разі необхідності, розробити власні, що пояснювали б особливості властивостей шаруватих надпровідників і тонких плівок в області змішаного стану.

Об'єкт дослідження. Об'єктами дослідження є штучні надпровідні НҐ Mo/Si, тонкі плівки V, а також надпровідні НҐ V/Si обмеженої товщини.

Предмет дослідження. Предметом дослідження є дослідження шубніковської фази у штучних надпровідних НҐ та тонких плівках.

Методи дослідження. Вимірювання резистивних переходів та критичних струмів в паралельних і в злегка похилих магнітних полях.

Наукова новизна роботи.

вперше запропоновано і розроблено новий метод визначення структури ВҐ у шаруватих надпровідниках, який заснований на резистивних вимірах. Він дозволяє визначити різні стабільні і метастабільні стани ВҐ, виявити сумірні ВҐ і фазові переходи між сумірними станами ВҐ із різними порядками сумірності (йдеться про сумірність відстані між вихорами і періодом надструктури в НҐ). Цей метод простий, ефективний і може застосовуватися для широкого спектра надпровідних матеріалів - діхалькогенідів перехідних металів, штучних НҐ і ВТНП;

у надґратках Mo/Si уперше виявлено явище зворотної надпровідності (йдеться про повернення з резистивного стану в стан з нульовим опором з ростом магнітного поля), що спостерігається в паралельних і в злегка похилих магнітних полях. На відміну від відомого раніше явища зворотної надпровідності в магнітних потрійних сульфідах молібдену, повернення з резистивного у надпровідний стан з ростом магнітного поля Н може відбуватися кілька разів при певних його значеннях, що задаються періодом надструктури НҐ і силою зв'язку між надпровідними шарами. Положення особливостей на залежностях R(H||) не зміщується зі зміною температури. Вивчено механізм зворотної надпровідності в НҐ і доведено, що він не має нічого спільного з походженням подібного явища в магнітних надпровідниках. “Провісники” зворотної надпровідності, а саме осциляційні залежності опору R від Н, використані як фізична основа методики визначення структури ВҐ у шаруватих надпровідниках;

доведено, що аномалії резистивних переходів у паралельному полі з'являються як наслідок сильного власного пінінгу на періодичній структурі плоских неоднорідностей і ефекту сумірності між періодом надструктури в НҐ і параметром комірки ВҐ у напрямку, ортогональному шарам. Положення мінімумів R і областей нульового опору відповідають мінімумам вільної енергії сумірних ВҐ з різними порядками сумірності і різними орієнтаціями векторів елементарної комірки ВҐ відносно площин шарів;

досліджено особливості шубніковської фази в тонких плівках надпровідників II роду у випадку, коли магнітне поле є паралельним до поверхні плівки. Виміри немонотонних залежностей критичного струму Ic від магнітного поля H|| дозволяють виявити сумірні ВҐ з різною кількістю вихорових ланцюжків у плівці. Встановлено, що на однорідних плівках спостереження ефекту сумірності параметра ВҐ з товщиною плівки можливе тільки при ідеальному стані границь плівки, що допускає утворення нескінченних ґраток вихорів і їхніх зображень. Порушення гладкості і плоскопаралельності двох поверхонь плівки призводить до зникнення осциляцій Ic та до різкого зменшення критичного струму;

виявлено, що на тонкоплівкових шаруватих зразках одночасно спостерігається ефект сумірності параметра ВҐ з періодом надструктури і з повною товщиною плівки;

вперше виявлено “lock-in” ефект на надпровідних НҐ Mo/Si і тонких плівках V, що полягає в розходженні орієнтацій зовнішнього магнітного поля та магнітної індукції в середині зразка. В області порівняно малих кутів вихоровим лініям енергетично більш вигідно залишатися паралельними шарам у випадку НҐ (паралельно границям плівки у випадку плівок), ніж орієнтуватися паралельно до прикладеного магнітного поля. Вперше визначена залежність критичного кута для “lock-in” стану ВҐ від температури;

вперше на НҐ з товстими прошарками напівпровідника виявлені стрибки опору лавинного типу. Вони спостерігаються на резистивних переходах у паралельному магнітному полі. Стрибки опору періодичні залежно від зворотного магнітного поля. Для пояснення цих стрибків розроблена модель фазових переходів між щільно-упакованими сумірними ВҐ. Кожен стрибок відповідає верхньому критичному полю для даного сумірного стану. Висновки, що ґрунтуються на розглянутій моделі, добре узгоджуються з експериментальними даними.

Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність роботи, по-перше, полягає в перспективі використання штучних надпровідних НҐ для створення різних надпровідних чуттєвих детекторів і для інших застосувань у кріоелектроніці та мікроелектроніці. Найважливішу роль у технічному застосуванні надпровідників грає підвищення їхніх критичних параметрів: критичної температури, критичних полів і критичного струму. В даній роботі доведено, що шарувата структура є гарним потенціалом пінінгу, і на НҐ із певним чином підібраними товщинами шарів можна домогтися значного збільшення критичного струму. Критичний струм може бути осцилюючою функцією прикладеного магнітного поля, і при визначених значеннях магнітного поля повинні спостерігатися максимуми критичного струму.

По-друге, штучні НҐ є прекрасним об'єктом для моделювання властивостей ВТНП. Неоднорідності структури, присутність двійників і блокової структури, сильний вплив флуктуацій на надпровідні властивості ВТНП - усе це створює складності у вивченні властивостей ВТНП і робить актуальним дослідження модельних шаруватих надпровідників, таких, як штучні надґратки. Останні мають важливі переваги в порівнянні з природними шаруватими кристалами. У них можна змінювати не тільки товщини ізолюючих чи нормальних прошарків, через які здійснюється слабкий зв'язок між надпровідними шарами, але й товщину самих надпровідних плівок, а також тип металу та проміжного шару, тобто тип зв'язку між шарами. При використаній нами технології готування НҐ мають набагато більшу структурну досконалість, ніж шаруваті кристали, інтеркаліровані великими органічними молекулами, але ВТНП. Показано, що штучні НҐ можуть служити гарним об'єктом для вивчення динамічних і статичних властивостей вихорових ґраток шаруватих надпровідників.

Запропонований нами новий резистивний метод вивчення структури ВҐ у шаруватих надпровідниках, що спирається на ефект зворотної надпровідності, придатний як для штучних НҐ, так і для ВТНП, не вимагає великих економічних витрат, експериментально простий і ефективний і, що дуже важливо, може бути застосований у магнітних полях будь-якої сили, на відміну від усіх інших методів вивчення вихорової структури.

Наявність ефекту зворотної надпровідності може використовуватися також як тест на якість надструктури у надпровідній шаруватій системі. Якщо при готуванні зразків є збої у величині періоду і регулярності періодичної структури, осциляції критичного струму й опору будуть менш явно виражені, можлива поява “шумів” на резистивних переходах. На межі помітного розупорядкування надструктури ефект взагалі може зникати. Сказане стосується не тільки штучних НҐ, а й монокристалів ВТНП. Зокрема, резистивні виміри в паралельному до площини шарів полі можуть дозволити виключити вплив блочності монокристалів.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментальної роботи, обробці отриманих експериментальних результатів і порівнянні експериментальних результатів з існуючими теоретичними моделями. Усі наукові статті дисертанта, що містять основні результати даної роботи, виконані в співавторстві, при цьому основна частина роботи була проведена дисертантом особисто. Дисертант брав безпосередню участь у написанні наукових статей і доповідав результати робіт на міжнародних конференціях і наукових семінарах.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, які викладені у дисертації, були представлені на таких конференціях:

1. Російська Школа з Надпровідності, (Черноголовка, 1998).

2. 4th International Conference on Nanostructured materials, (Stockholm, Sweden, 1998).

3. International Conference on Low Temperature Physics LT-22, (Helsinki, Finland, 1999).

4. Quasi-two-dimensional Metal and Superconducting Systems, (Chernogolovka, Russia, 1999).

Публікації. Результати досліджень, які представлені в дисертації, опубліковані в 5 статтях провідних вітчизняних та іноземних наукових виданнях.

Структура дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків і списку цитованих джерел, що містить 180 найменувань. Загальний обсяг дисертації 130 сторінок, включаючи 46 рисунків і 6 таблиць.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі здійснене обґрунтування актуальності теми, визначена мета роботи і методи її досягнення, перераховані основні нові результати, які отримані в дисертаційній роботі, і описана практична цінність результатів.

Розділ 1 (літературний огляд) присвячений огляду відомих літературних джерел, що описують структуру ВҐ однорідних надпровідників II роду і шаруватих надпровідників. До класу шаруватих надпровідників відносяться ВТНП, діхалькогеніди перехідних металів, деякі органічні надпровідники і штучні НҐ. Шаруваті надпровідники наділені рядом оригінальних фізичних властивостей. Завдяки анізотропній структурі цих сполук їхні фізичні властивості: опір, критичні магнітні поля, критичний струм, глибина проникнення, довжина когерентності та інші - також анізотропні. Фазова діаграма шаруватих надпровідників може містити в собі багато різних фаз: регулярні вихорові ґратки, вихорове скло, вихорову рідину. Також завдяки анізотропії можна спостерігати такі явища, як плавлення вихорових ґраток, розширення резистивних переходів у магнітному полі, гігантський кріп потоку, різке зменшення критичного струму зі збільшенням температури і ряд інших незвичайних явищ.

Завдяки анізотропії динамічні і статичні властивості ВҐ у шаруватих надпровідниках дуже сильно відрізняються від властивостей простих трикутних вихорових ґраток Абрикосова, які характерні для однорідних ізотропних надпровідників II роду. Елементарна комірка ВҐ може бути сильно деформованою порівняно з абрикосівською. Найбільш сильний вплив шаруватої структури на властивості ВҐ спостерігається в паралельному магнітному полі та в області полів, близьких до паралельної орієнтації. Завдяки шаруватій структурі в паралельному магнітному полі повинен діяти додатковий дуже ефективний механізм пінінгу - внутрішній пінінг (intrinsic pinning). Також визначальну роль у структурі ВҐ шаруватих надпровідників грає сумірність між параметром ВҐ і періодом шаруватої структури надпровідника.

На сьогоднішній день існує досить велика кількість теоретичних моделей ВҐ шаруватих надпровідників для паралельних і слабко похилих магнітних полів, що враховують ефект сумірності. Наприклад, модель Амі і Макі [7] для випадку слабкого пінінгу, модель Івлєва, Копніна, Покровського (ІКП) [8] для випадку сильного пінінгу та модель Булаєвського і Клема [10] для випадку відносно великих магнітних полів, у якій передбачено існування послідовності фазових переходів першого роду між ВҐ із різним порядком сумірності.

Крім теоретичних підходів, у літературному огляді описані існуючі експериментальні методи для вивчення структури ВҐ, що поділяються на прямі і непрямі. До прямих методів відносяться: техніка декорування, нейтронографічні дослідження, магнітооптичний метод, скануюча тунельна мікроскопія, магніто-силова мікроскопія, лоренцівська мікроскопія.

На жаль, прямі методи мають досить гарну чутливість тільки в області слабких магнітних полів. Це дуже істотне обмеження, тому що верхні критичні магнітні поля шаруватих надпровідників великі, отже, всі особливості в області полів H>>Hc1 не можуть бути вивчені за допомогою цих методів. Це обмеження пов'язане з фізичною природою методів, які використані для вивчення вихорів, і не може бути подолане шляхом поліпшення технічних характеристик експериментального устаткування. В усіх перерахованих методах можливість одержання зображення від одиночного вихора пов'язана з градієнтом внутрішнього магнітного поля навколо кора вихору. При збільшенні магнітного поля стає більшою щільність вихорів, і відстань між ними зменшується, а градієнт магнітного поля стає дуже малим для того, щоб розрізнити окремі вихори. Тому для вивчення структури вихорової системи в сильних магнітних полях користуються непрямими методами, такими, як резистивний метод, вимір намагніченості, торсійні експерименти. Про структуру вихорових ґраток судять з поведінки вимірюваних характеристик. Крім того, за допомогою непрямих методів можна вивчати цікаві особливості структури ВҐ у похилих магнітних полях.

У другому розділі детально описана методика готування досліджених НҐ і методи визначення різних структурних характеристик зразків. У числі останніх були рентгенівські дифракційні методи й електронна мікроскопія. Об'єктами дослідження були обрані НҐ Mo/Si і V/Si з різними періодами надструктури та варійованою енергією зв'язку між шарами і тонкі плівки V. Показано, що досліджувані зразки НҐ мають високий ступінь періодичності, що необхідне для отримання достовірних даних про особливості вихорової структури в шаруватих надпровідних системах. У цьому розділі також наведено опис кріостата, в якому проводилися низькотемпературні виміри, і методики виміру опору та критичних надпровідних параметрів зразків.

Третій розділ присвячений опису нового явища зворотної надпровідності, яке виявлено на штучних НҐ Mo/Si у паралельних і злегка похилих магнітних полях. На резистивних переходах у паралельному до шарів магнітному полі виявлені аномалії, що виникають при порівняно низьких температурах, нижче температури кросоверу від тривимірної до двовимірної поведінки. При певному значенні магнітного поля HN виникає мінімум опору, який стає більш глибоким зі зниженням температури і трансформується при ще більш низьких температурах в область нульового опору (ОНО) (рис.1 Mo/Si 22/34). Ця область виявляється тим ширше, чим нижче температура виміру. В області досить низьких температур аномальні особливості резистивних переходів зникають. Однак, вони можуть бути відновлені при будь-якій температурі шляхом коректного вибору транспортного струму. Після ОНО при подальшому збільшенні магнітного поля опір з'являється знову. Як правило, ОНО з'являється двічі (чи більше) при розгортанні поля до максимально доступного нам значення - 5 Тл. Виявлено, що залежності критичного струму Ic від паралельного магнітного поля є осциляційними, і положення максимумів Ic збігаються з положенням мінімумів R. Показано, що ці явища можуть бути інтерпретовані як наслідок наявності внутрішнього (intrinsic) пінінгу [13] й ефекту сумірності між періодом ВҐ у ортогональному до шарів напрямку і періодом шаруватої структури. Згідно з теорією Івлєва, Копніна і Покровського [8], у випадку сильно вираженої шаруватості системи, тобто при x^(Т)<s (тут x^(Т) - поперечна довжина когерентності, s - період надструктури НҐ), можливі тільки сумірні ВҐ. Це означає, що відстань між вихорами в ортогональному до шарів напрямку може бути тільки рівною чи кратною періоду надструктури. Згідно з теорією ІКП, вільна енергія ВҐ як функція магнітного поля має два мінімуми при значеннях поля . Тут , , g - параметр анізотропії, N = 1, 2, 3…- порядок сумірності. Розрахунки показують, що експериментальні положення мінімумів R на залежностях R(H||) відповідають стабільним станам ВҐ, тобто теоретичним значенням HN (Рис.1, розраховані значення HN показані стрілками). Згідно з вище наведеною формулою, значення HN не змінюються при зміні температури, що і експериментально спостерігається. Спостереження осциляцій R і Ic істотно залежить від магнітної передісторії зразка. На тому самому зразку спостерігаються різні реалізації залежностей R(H||), що відповідають різним порядкам сумірності. Поява тієї чи іншої реалізації залежить від початкової сумірної фази, що виникла в малих магнітних полях при першому включенні магнітного поля. Очевидно, що виявлений ефект може бути використаний як новий метод дослідження структури ВҐ у різних шаруватих надпровідниках. Цей метод винятково простий, у порівнянні з усіма іншими методиками визначення розташування вихорів, і має істотну перевагу, оскільки може бути використаний у полях будь-якої сили. Як буде показано далі, він виявляється ефективним і для випадку похилих магнітних полів.

Поряд з особливостями, що відповідають полям HN, на резистивних переходах у паралельному полі спостерігаються також додаткові дрібні особливості (типу сходинок, перегинів, різкої зміни кривизни), що можуть бути інтерпретовані як прояв метастабільних станів, що виявляються через зсувну нестійкість у вихорових ґратках [8,9].

Крім того, у третьому розділі наведені результати дослідження особливостей Шубніковської фази в тонких плівках надпровідників II роду у випадку, коли магнітне поле є паралельним до поверхні плівки. Залежності критичного струму Ic від магнітного поля H|| є немонотонними завдяки ефекту сумірності в ґратках вихорів і їхніх зображень (Рис.2). Зазвичай взаємодію вихорів із границями надпровідника розглядають за допомогою обліку вихорів-зображень. У випадку тонкої плівки система вихорів і їхніх зображень утворює нескінченні ґратки. Період цих ґраток уздовж напрямку, ортогонального шарам, визначається товщиною плівки і числом вихорових рядів. Період ґраток уздовж плівки визначається величиною зовнішнього магнітного поля. Два зазначених періоди збігаються чи кратні один одному лише при певних значеннях магнітного поля: n =1,2,3... Тут n - порядок сумірності, або число вихорових рядів у плівці. Експериментальні дані добре узгоджуються з розрахунковими значеннями за даною формулою. На однорідних плівках спостереження ефекту сумірності параметра вихорових ґраток з товщиною плівки можливо тільки при ідеальному стані границь плівки, що допускає утворення нескінченних ґраток вихорів і їхніх зображень. Проведені експерименти демонструють, що порушення гладкості і плоскопаралельності двох поверхонь плівки призводить до зникнення осциляцій Ic і різкого зменшення критичного струму.

Розглянуто фазову діаграму Н-Т однорідної плівки в паралельному магнітному полі.

Також проведено дослідження штучних НҐ V/Si з обмеженим числом бішарів. На таких зразках одночасно виявлені ефекти сумірності параметра вихорових ґраток з періодом надструктури s і з повною товщиною зразка d. Отримано правило добору для ефектів, що спостерігаються.

У четвертому розділі викладені результати досліджень, які проведені на НҐ і тонких плівках у похилих магнітних полях. При малих кутах розорієнтації між напрямком зовнішнього магнітного поля і площиною шарів у НҐ зворотна надпровідність і осциляційні залежності R(H) зберігаються (Рис.3), причому положення мінімумів опору не зміщується залежно від поля. По досягненні деякого критичного кута залежності R(H) стають монотонними. Наведені факти означають, що в деякій області кутів помітної зміни структури ВҐ не відбувається, незважаючи на відхилення поля від паралельної орієнтації. Ефект такого типу спостерігався раніше на ВТНП іншими методами (торсійні виміри [14], виміри намагніченості, ас-сприйнятливості [15,16] і т.д.). Цей ефект був названий “lock-in” переходом. Причина його полягає в тому, що через сильну анізотропію при невеликих кутах розорієнтації вихорам виявляється енергетично вигідніше зберігати напрямок, який є паралельним до шарів (у випадку НҐ) чи поверхні зразка (у випадку плівок), ніж орієнтуватися паралельно до прикладеного магнітного поля. Таким чином, у згаданій області кутів напрямок прикладеного магнітного поля і напрямок вектора магнітної індукції не збігаються.

З вимірів у широкій області температур вперше отримана залежність критичного кута qc для “lock-in” стану від температури. Виявлено, що залежності опору від кута і залежності верхнього критичного поля від кута мають яскраво виражені особливості типу перегину. Ці перегини також є свідченням того, що відбувається “lock-in” перехід, тобто вектор магнітної індукції різко змінює напрямок, роблячи поворот від орієнтації, що збігається з зовнішнім магнітним полем, до орієнтації, що збігається з площиною шарів. Залежність qc(Т), що отримана з цих даних, практично збігається з цією ж залежністю, визначеною з області існування ефекту сумірності. Максимальне значення кута qc становить близько 2°. Залежність qc(Т) якісно відповідає передбаченій теоретично в роботі [17].

При істотно великих кутах на залежностях R(H) знову з'являються яскраво виражені мінімуми опору. Магнітні поля, що відповідають цим мінімумам, зміщуються зі зміною температури. Появу цих аномалій у похилих полях можна пояснити, як наслідок наявності комбінованих ВҐ, які передбачені теоретично [11,12] для шаруватих надпровідників. Комбіновані ВҐ складаються з двох вихорових підґраток. Одні з підґраток орієнтовані паралельно шарам, і в них, відповідно, можуть спостерігатися ефекти, що обумовлені сумірністю. Вектор інших підґраток спрямований уздовж магнітного поля, або перпендикулярно площинам шарів. Це питання має потребу в додатковому дослідженні.

П'ятий розділ присвячений вивченню резистивних переходів у паралельному магнітному полі на штучних надпровідних НҐ Mo/Si з товстими прошарками кремнію. Уперше на НҐ з товстими прошарками напівпровідника виявлені стрибки опору, які періодичні зі зворотним магнітним полем (Рис.4). Для пояснення цих стрибків розроблена модель фазових переходів між щільно-упакованими сумірними вихоровими ґратками. Ми припускаємо, що початковим станом ВҐ у слабких магнітних полях був сумірний стан з досить великим періодом сумірності N, і, як відомо, енергетично найбільш вигідним у цьому стані є розташування вихорів у неметалевих прошарках. Через дуже сильний пінінг в даному випадку не можуть спостерігатися переходи між станами з різним N, які передбачені теорією Булаєвського і Клема. Тому при збільшенні магнітного поля вихори будуть добудовуватися в ті ж ряди, де вони існували до цього. Цей процес буде продовжуватися доти, доки щільність вихорів в одному вихоровому ланцюжку, що затиснутий між надпровідними шарами, не стане занадто великою для входження наступних вихорів. Це наступить приблизно тоді, коли еліпсоїдальні кори вихорів почнуть стикатися один з одним. Ця ситуація подібна тій, котра спостерігається в однорідних надпровідниках другого роду поблизу верхнього критичного поля Hc2, при досягненні якого відбувається повне руйнування надпровідності. У випадку сильно шаруватих надпровідників усередині кожного вихорового ланцюжка можливе досягнення мінімальної відстані між вихорами, у той час як відстань Z0 між ланцюжками може бути в кілька разів більшою. Тобто, в сильно шаруватих надпровідниках у полі стрибка опору HJN настає локальне руйнування надпровідності, тобто має місце певна перебудова ВҐ. Кожен стрибок відповідає верхньому критичному полю для даного сумірного стану. Але на противагу верхньому критичному полю для однорідних надпровідників, де фазовий перехід у нормальний стан є фазовим переходом другого роду, для шаруватих надпровідників ці переходи є фазовими переходами першого роду. Висновки, що ґрунтуються на розглянутій моделі, добре узгоджуються з експериментальними даними.



ВИСНОВКИ

1. У НҐ Mo/Si виявлене явище зворотної надпровідності в паралельних і слабко похилих магнітних полях. Повернення надпровідності з резистивного стану з ростом магнітного поля може відбуватися кілька разів.

Встановлено, що явище зворотної надпровідності є наслідком власного пінінгу на періодичній структурі й ефекту сумірності між періодом НҐ і параметром вихрових ґраток у напрямку, ортогональному шарам.

2. Показано, що запропонований нами резистивний метод, який спирається на ефект сумірності, дозволяє визначити різні стабільні і метастабільні стани ВҐ, а також вивчити фазові переходи між ВҐ з різними порядками сумірності. Метод простий, ефективний, його можна застосовувати в магнітних полях будь-якої сили і для всіх типів шаруватих надпровідників.

3. Показано, що виміри немонотонних залежностей критичного струму Ic від магнітного поля HII у тонких плівках надпровідників II роду у випадку, коли магнітне поле є паралельним поверхні плівки, дозволяють виявити сумірні вихорові ґратки з різною кількістю вихорових ланцюжків у плівці. Встановлено, що на однорідних плівках спостерігання ефекту сумірності параметра ВҐ з товщиною плівки можливе тільки при ідеальному стані границь плівки, що допускає утворення нескінченних ґраток вихорів і їхніх зображень.

4. Виявлено, що на НҐ з обмеженою товщиною одночасно виявляються ефекти сумірності параметра ВҐ з періодом надструктури і ефекти сумірності параметра ВҐ з повною товщиною плівки. Отримано правило добору для ефектів, що спостерігаються.

5. Виявлено і вивчено “lock-in” ефект на надпровідних НҐ і тонких плівках, який полягає в розходженні орієнтацій зовнішнього магнітного поля і магнітної індукції всередині зразка. В області порівняно малих кутів вихорам виявляється енергетично вигідніше залишатися паралельними поверхні зразка, ніж паралельними прикладеному магнітному полю. Вперше отримана залежність критичного кута для “lock-in” стану ВҐ від температури.

6. На НҐ з товстими прошарками напівпровідника вперше виявлені стрибки опору лавинного типу на резистивних переходах у паралельному магнітному полі, які періодичні зі зворотним магнітним полем. Для пояснення стрибків розроблена модель фазових переходів між щільно-упакованими сумірними вихоровими ґратками. Показано, що запропонована модель добре узгоджується з експериментальними даними.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ РОБОТАХ

1. Fogel N.Ya., Mikhailov M.Yu., Bomze Yu.V. and Yuzephovich O.I. Intrinsic pinning, commensurability and reentrant behavior in Mo/Si superlattices // Phys.Rev.B - 1999. - Vol.59. - P.3365-3368.

2. Fogel N.Ya., Mikhailov M.Yu., Yuzephovich O.I., Bomze Yu.V. Superconductivity reentrance in strong magnetic fields in Mo/Si multilayers // Nanostructured Materials - 1999. - Vol.12. - P.409-412.

3. Юзефович О.И., Бомзе Ю.В., Михайлов М.Ю., Дмитренко И.М., Фогель Н.Я. Commensurability effect and lock-in transition on Mo/Si superconducting superlattices // ФНТ - 2000. - Т.26 - C.142-147.

4. Фогель Н.Я., Черкасова В.Г., Юзефович О.И., Михайлов М.Ю., Бухштаб Е.И., Стеценко А.Н. Соизмеримые вихревые решетки в тонких пленках V и сверхпроводящих сверхрешетках V/Si // ФНТ - 2001. - Т. 27. - C.1019-1029.

5. Yuzephovich O.I., Bomze Yu.V., Mikhailov M.Yu., Fogel N.Ya., Buchstab E.I. Mo/Si superlattices: phase transitions between the commensurate states in the vortex ensemble // Physica C - 2001. - Vol.361. - P.59-66.



СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. White W.R., Kapitulnik A., and Beasley M.R. Model system for vortex motion in coupled two-dimensional type II superconductors // Phys. Rev. Lett. - 1991. - Vol.66. - P.2826-2829.

2. White W.R., Kapitulnik A., Beasley M.R. Anomalous temperature dependence of vortex elastic properties in the flux-flow regime in Mo77Ge23/Ge multilayered superconductor // Phys. Rev. B - 1994. - Vol.50. - P.6303-6306.

3. Fogel N.Ya., Cherkasova V.G., Koretskaya O.A., Sidorenko A.S. Thermally assisted flux flow and melting transition for Mo/Si multilayers // Phys. Rev. B - 1997. - Vol.55. - P.85-88.

4. Фогель Н.Я., Черкесова В.Г., Сипатов А.Ю., Федоренко А.И., Рыбальченко В.Н. Уширение резистивных переходов и крип потока в сверхпроводящих сверхрешетках PbTe/Pb // ФНТ - 1994. - Vol.20. - P.1142-1147.

5. Majkova E., Luby S., Jergel M., Lohneysen H.V., Strunk C., George B. Superconductivity and critical fields in amorphous W/Si multilayers // Physica Status Solidi - 1994. - Vol.A145. - P.509.

6. Koorevaar P., Kes P.H., Koshelev A.E., Aarts J. Vortex lattice transition in superconducting Nb/NbZr multilayers // Phys. Rev. Lett. - 1994. - Vol.72. - P.3250-3253.

7. Ami A.S. and Maki K. Pinning effect due to periodic variation of impurity concentration in type II superconductors // Progr. Theor. Phys. - 1975. - Vol.53. - P.1-20.

8. Ivlev B.I., Kopnin N.B., and Pokrovsky V.L. Shear instability of a vortex lattice in layered superconductors // J.Low Temp. Phys. - 1990. - Vol.80. - P.187.

9. Levitov L.S. Phyllotax of flux lattice in layered superconductors // Phys. Rev. Lett. - 1991. - Vol.66. - P.224-227.

10. Bulaevskii L. and Clem J.R. Vortex lattice of highly anisotropic layered structures in strong, parallel magnetic fields // Phys. Rev. B - 1991. - Vol.44. - P.10234-10238.

11. Sudbo A., Brandt E.H., and Huse D.A. Multiple coexisting orientations of flux lines in superconductors with uniaxial anisotropy // Phys. Rev. Lett. - 1993. - Vol.71. - P.1451-1454.

12. Daemen L.L., Campbell L.J., Simonov A.Yu. and Kogan V.G. Coexistence of two-flux-line specis in superconducting slabs // Phys. Rev. Lett. - 1993. - Vol.70. - P.2948-2951.

13. Tachiki M. and Takahashi S. Anisotropy of critical current in layered oxide superconductors // Solid State Comm. - 1989. - Vol.70. - P.291.

14. Feinberg D. and Villard C. Intrinsic pinning and lock-in transition of flux line lattice in layered type- II superconductors // Phys. Rev. Lett. - 1990. - Vol.65. - P.919-922.

15. Mansky P.A., Chaikin P.M., and Haddon R.C. Vortex lock-in state in layered superconductors // Phys. Rev. Lett. - 1993. - Vol.70. - P.1323-1326.

16. Bugoslavsky Yu.V., Zhukov A.A., Perkins G.K., and Caplin A.D. Flux-line lock-in to CuO in a La1.9Sr0.1CuO4 single crystal // Phys. Rev. B - 1997. - Vol.56. - P.5610-5616.

17. Feinberg D. and Villard C. Intrinsic pinning and lock-in transition of flux line lattice in layered type- II superconductors // Phys. Rev. Lett. - 1990. - Vol.65. - P.919-922.



АНОТАЦІЇ

Юзефович О.І. Ефекти сумірності вихорових ґраток надпровідних шаруватих системах - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.22 - надпровідність. Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, Харків, 2002 р.

У роботі виявлено явище зворотної надпровідності на надпровідних надґратках Mo/Si у паралельному магнітному полі, що є наслідком власного пінінгу на періодичній структурі й ефекту сумірності між періодом надґратки і періодом вихорових ґраток. Доведено, що на однорідних тонких плівках V при ідеальному стані границь плівки, що допускає утворення нескінченних ґраток вихорів і їхніх зображень, спостерігається ефект сумірності періоду вихорових ґраток з товщиною плівки. На надґратках V/Si з обмеженою товщиною одночасно виявляються ефекти сумірності періоду вихорових ґраток з періодом надструктури і з повною товщиною плівки. На надґратках Mo/Si з товстими прошарками кремнію уперше виявлені фазові переходи першого роду між вихоровими ґратками з різними порядками сумірності.

Запропонований резистивный метод, що спирається на ефект сумірності, дозволяє визначити різні стабільні і метастабільні стани вихорових ґраток, а також вивчити фазові переходи між вихоровими ґратками з різними порядками сумірності. Його можна застосовувати в магнітних полях будь-якої сили і для всіх типів шаруватих надпровідників. За допомогою цього методу на надґратках Mo/Si і тонких плівках V у похилих магнітних полях виявлено і вивчено “lock-in” ефект.

Ключові слова: надґратки, тонкі плівки, вихорови ґратки, зворотна надпровідність, ефект сумірності, пінінг, “lock-in” ефект.

Юзефович О.И. Эффекты соизмеримости вихревых решеток в сверхпроводящих слоистых системах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.22 - сверхпроводимость. Физико-технический институт низких температур им. Б. И. Веркина НАН Украины, Харьков, 2002 г.

В работе обнаружено явление возвратной сверхпроводимости на сверхпроводящих сверхрешетках Mo/Si в параллельном магнитном поле, которое является следствием собственного пиннинга на периодической структуре и эффекта соизмеримости между периодом сверхрешетки и периодом вихревой решетки. Показано, что на однородных тонких пленках V при идеальном состоянии границ пленки, допускающем образование бесконечной решетки вихрей и их изображений, наблюдается эффект соизмеримости периода вихревой решетки с толщиной пленки. На сверхрешетках V/Si с ограниченной толщиной одновременно проявляются эффекты соизмеримости периода вихревой решетки с периодом сверхструктуры и с полной толщиной пленки. На сверхрешетках Mo/Si с толстыми прослойками кремния впервые обнаружены фазовые переходы первого рода между вихревыми решетками с различными порядками соизмеримости.

Предложен резистивный метод, опирающийся на эффект соизмеримости, позволяющий определить различные стабильные и метастабильные состояния вихревой решетки, а также изучить фазовые переходы между вихревой решетки с разными порядками соизмеримости. Этот метод применим в сколь угодно сильных магнитных полях и для всех типов слоистых сверхпроводников. С помощью данного метода на сверхрешетках Mo/Si и тонких пленках V в наклонных магнитных полях обнаружен и изучен lock-in эффект.

Ключевые слова: сверхрешетки, тонкие пленки, вихревые решетки, возвратная сверхпроводимость, эффект соизмеримости, пиннинг, “lock-in” эффект.

Yuzephovich O.I. Vortex lattice commensurability effects in superconducting layered systems. - Manuscript.

Thesis for the candidate's degree by speciality 01.04.22 - superconductivity.

B.I. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering NAS of Ukraine, Kharkiv, 2002.

Novel reentrance phenomenon is discovered on Mo/Si multilayers, which occurs in parallel to the layers and slightly inclined magnetic fields. At some temperature corresponding to the fitting of the vortex cores within semiconducting interlayers a minimum (or a series of minima) appears on the dependences of the resistivity R on magnetic field H. At lower temperatures the minimum becomes more pronounced and at last transforms into a large zero resistance region (ZRR). After ZRR in the higher magnetic fields the resistance appears again. In-plane critical current Jc is the oscillating function of H, and all the features of R vs H and Jc vs H dependences closely correlate. This effect may be explained in terms of the intrinsic pinning and vortex lattice (VL) commensurability with underlying layered structure. The locations of the zero resistance regions correspond to the stable VL configurations or to the transitions between two commensurate lattices. The experimental data are in quantitative agreement with the Ivlev, Kopnin, Pokrovsky theory considering VL structure in the case of a strong intrinsic pinning.

The critical currents Ic of thin vanadium films have been studied in the magnetic fields parallel to the film plane. The oscillating Ic(H) dependences observed on a series of samples are explained in terms of commensurability effect between vortex lattice parameter and total thickness of sample. It is established that the effect of commensurability between vortex lattice parameter and film thickness is possible in homogeneous films only for ideal film boundaries which allow for the formation of an infinite vortex-vortex image lattice. The deterioration of the surface smoothness and the disruption of the parallelism of the film surfaces cause disappearing of oscillations Ic and sharp decreasing of the critical current.

It is established, that two different commensurability effects are observed simultaneously in V/Si multilayers with small numbers of bilayer. One of them is the commensurability effect between the vortex lattice parameter and the period of layering and the other between the vortex lattice parameter and the total sample thickness.

The avalanche-type jumps of the resistivity in the mixed state have been observed at first time on the artificial superconducting multilayers Mo/Si with thick silicon layers when an applied magnetic field is oriented along the layer planes. These jumps are periodic with an inverse magnetic field. The simple model is proposed which explains the jump patterns on different samples as the manifestation of the phase transitions between various commensurate states of the vortex lattice. The values of the jump fields and the distances between these fields are quantitatively consistent with the model considered. It is assumed that the set of the jumps corresponds to the sequence of the upper critical fields for different commensurate lattices in the strongly layered superconductors. These phase transitions belong to the class of the first order transitions in distinction to the corresponding transition in homogeneous type II superconductors. The resistive curves are hysteretic and reveal considerable supercooling.

The new resistive method that based on commensurability effects proposed as a new tool of the VL structure study in layered superconductors. This method is applicable to all layered superconducting systems and can be used in strong magnetic fields.

The lock-in transition is observed on artificial superconducting superlattices which takes place in the tilted magnetic fields. The measurements have been carried out on Mo/Si layered system. The temperature dependence of the critical angle for the trapping of the vortices in the orientation parallel to the layer planes is determined by the known resistive method, as well as by a new method based on the effect of commensurability between intervortex distance and the period of layering. The critical angle dependences on temperature obtained by the both methods practically coincide. The experimental results are consistent with the theoretical predictions of Feinberg and Villard. In additional, the lock-in transition conditioned by the influence of the surface barrier is observed for the first time on thin films.

Keywords: superlattices, thin films, vortex lattice, reentrant superconductivity, commensurability effect, pinning, lock-in effect.

Размещено на Allbest.ru

...