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

01.04.22 - "Надпровідність"

ДИСИПАЦІЯ ЕНЕРГІЇ ТА НЕЛІНІЙНА ПРОВІДНІСТЬ ГРАНУЛЬОВАНИХ НАДПРОВІДНИКІВ ДРУГОГО РОДУ В НАДПРОВІДНОМУ І НОРМАЛЬНОМУ СТАНАХ

Хірний Віталій Пилипович

Харків - 2004

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Невпорядковані або неоднорідні матеріали широко застосовуються на практиці, і на їх поведінці перевіряються різні фізичні концепції та теоретичні моделі. Для експериментального дослідження влас-тивостей невпорядкованих середовищ, включаючи надпровідники, звичайно вибирають гранульовані метали.

Низькотемпературні гранульовані надпровідники легко отримати у вигляді металевих дрібнокристалічних плівок, в яких кожен кристаліт оточений шаром оксиду основного металу. На таких зразках широко досліджуються дисипативні стани, що необхідно для вияснення умов та принципу роботи різних надпровідникових приладів, в яких робочим елементом є плівки.

Зацікавлення в подальшому вивченні невпорядкованих надпровідників з'явилось внаслідок відкриття керамічних високотемпературних надпровідників (ВТНП). Для пояснення їх властивостей використовували два класи моделей. До першого - відноситься модель надпровідного скла, в котрій ВТНП- зразки розглядаються як система гранул, з'єднаних між собою слабкими зв'язками, що мають властивості подібні джозефсонівським тунельним переходам. Згідно з нею, дисипація енергії наступає при появі електричної напруги завдяки термічному активуванню “проковзування” фази параметра порядку між сусідніми гранулами, коли по зразку тече електричний струм.

До другого класу - відносяться моделі, в яких гранульовані надпровідники розглядаються як ефективне однорідне середовище. В цих моделях критичний струм в об'ємі ВТНП-зразків залежить від сили пінінгу джозефсонівських вихорів у міжгранульних зв'язках і абрикосівських вихорів у гранулах. Згідно з цією моделлю, дисипація енергії наступає внаслідок проникнення та рухання вихорів в зразках.

Таким чином, до теперешнього часу відсутня едина точка зору на те, яким чином відбувається дисипація енергії в керамічних ВТНП зразках.

Окрім того, вплив на властивості керамічних зразків електричного струму, дисипативний стан та нелінійні ефекти в електричній провідності ВТНП зразків були недостатньо вивчені до початку проведення цього дослідження (1989 рік). Щоб вибрати, який клас моделей найкращим чином пояснює ці якості керамічних ВТНП зразків, необхідно було з'ясувати: а) механізм проникнення магнітного поля електричного струму в гранульованих кристалітних металевих плівкових низькотемпературних надпровіниках і керамічних ВТНП - зразках на прикладі керамічних YBa₂Cu₃O_7- та Bi_1,6Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x ВТНП-зразків, б) кінетику переходу цих зразків у дисипативний стан та вплив електричного струму на їх властивості, коли зразки знаходяться не тільки у надпровідному, але і в нормальному стані, тому що їх властивості залежать від способу виготовлення. Без виявлення природи властивостей ненадпровідного (нормального) стану важко сподіватися на розуміння мікроскопічного механізму ВТНП. З'ясування цих проблем є актуальним для пояснення особливостей в залежності критичного струму від зовнішніх умов та морфології неоднорідних надпровідників другого роду.

Мета дисертаційної роботи полягає в тому, щоб в неоднорідних (гранульованих) надпровідниках другого роду, по яких тече електричний струм:

- дослідити процес дисипації енергії;

- визначити природу резистивності, механізм проникнення власного магнітного поля струму у зразки і встановити динаміку магнітного потоку в керамічних ВТНП циліндричних зразках в стані безсилової конфігурації струм - магнітне поле;

- встановити взаємозв'язок між зміною надпровідних, магнітних і електричних властивостей та станом носіїв електричного заряду.

Об'єктом дослідження є явища та механізми, що визначають перехід з надпровідного в дисипативні стани, та нелінійності в електричній провідності (неоднорідних) гранульованих надпровідників другого роду. Об'єкт включає аналітичне дослідження низькотемпературних металевих плівкових надпровідників другого роду і експериментальне - керамічних YBa₂Cu₃O_7- та Bi_1,6Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x ВТНП зразків.

Предметом дослідження є дисипація енергії і нелінійності електричної провідності в гранульованих надпровідниках другого роду, які знаходяться в надпровідному і нормальному станах.

Для досягнення поставленої мети були розв'язані такі задачі:

-доведено, що генерація електромагнітних коливань у низькотемпературних плівкових дрібнокристалітних металевих надпровідниках обумовлена появою смуг проковзування нормальної фази, коли зразки переходять з надпровідного стану у дисипативний;

-виявлено, що перехід із надпровідного стану у дисипативний в YBa₂Cu₃O_7- та Bi_1,6Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x керамічних ВТНП зразках, по яких тече електричний струм, обумовлений проникненням в них кільцевих та гелікоідальних вихорів Джозефсона та Абрикосова;

-доведено, що модель ідеального надпровідника другого роду з поверхневим бар'єром проникненню вихорів дає наочне уявлення про властивості керамічних високотемпературних надпровідників, які характеризуються слабкими силами пінінгу;

-доведено існування розірваних кільцевих та лінійних вихорів Абрикосова, завдяки яким утворюються залишкові магнітні поля, які впливають на значення критичного струму у YBa₂Cu₃O_7- та Bi_1,6Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x керамічних надпровідниках;

-досліджено, що на флуктуаційну провідність у YBa₂Cu₃O_7- керамічних зразках впливає кількість рухомих дірок, розрахованих на елементарну комірку кристалічної гратки;

-з'ясовані причини появи та зміни нелінійності в залежності електричного опору від напруги в керамічних ітрієвих зразках з появою термо-електричного домену.

Достовірність положень та висновків роботи підтверджується тим, що результати були отримані за допомогою добре розвинених методів вимірювань і частково підтверджені в інших наукових працях.

Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в наступному:

-На основі аналітичного аналізу запропоновано механізм виникнення електромагнітних коливань в дрібнокристалічних металевих низькотемпературних надпровідникових плівках, які знаходяться в дисипативному стані, де припущено існування “смуг проковзування нормальної фази.” Цей механізм підтверджується великою кількістью експериментальних результатів, які цитуються в науковій літературі.

Вперше експериментально вивчено кінетику переходу в резистивний стан та поведінку при цьому реальної частини магнітної сприйнятливості та електричного опору циліндричних YBa₂Cu₃O_7- та Bi_1,6Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x керамічних гранульованих ВТНП зразків з малою силою пінінгу в залежності від величини транспортного струму та величини і орієнтації зовнішнього магнітного поля по відношенню до власного магнітного поля струму.

Вперше експериментально досліджено зв'язок характеру резистивного переходу в керамічних циліндричних YBa₂Cu₃O_7- та Bi_1,6Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x ВТНП зразках з існуванням утворень кільцевого і гелікоїдального виду з вихорів Джозефсона. Запропоновано модель, у якій перехід з надпровідного стану у дисипативний відбувається при проникненні у зразки кільцевих та гелікоїдальних утворень з вихорів Джозефсона.

Експериментально доведено, що в області температур Т Т_с в керамічних циліндричних ВТНП YBa₂Cu₃O_7- та Bi_1,6Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x зразках критичний струм зменшується при зниженні висоти поверхневого бар'єру проникнення вихорів. Для пояснення властивостей таких зразків з малою силою пінінгу запропоновано модель дисипативного стану ідеального надпровідника другого роду з поверхневим бар'єром проникнення у нього кільцевих вихорів Джозефсона.

В області температур Т < Т_с в YBa₂Cu₃O_7- та Bi_1,6Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x керамічних циліндричних ВТНП зразках отримана залежність критичного струму від захоплених та залишкових кругових та лінійних магнітних полів. Вперше доведено, що вони з'являються завдяки розсіюванню власних магнітних полів абрикосовських вихорів, розірваних на порожнинах та інших неоднорідностях зразків.

Вперше в режимі заданої напруги вивчено термодинамічний стан ітрієвих зразків при дисипаціі енергії з великою активною потужністю та малим тепловіддаванням. В цьому режимі спостережені та вивчені нелінійні вольт-амперні характеристики (ВАХ) ітрієвих зразків. Експериментально доведено, що нелінійність на ВАХ керамічних YBa₂Cu₃O_7- зразків з'являється через нестійкість однорідного розподілу електричного поля. Виявлена зміна хімічного стану ітрієвих зразків “оброблених” переміщуваними високотемпературними термо-електричними доменами (ТЕД).

-Вперше вивчено вплив концентрації дірочних носіїв заряду на лінійну гілку залежності електричного опору ітрієвих ВТНП зразків від температури в області температур від кімнатної до критичної. Вперше експериментально знайдено, що при зменшенні кількості рухомих дірок у розрахунку на елементарну комірку кристалічної гратки зменшується величина вкладу флуктуаційного відхилення від лінійності (ефект парапровідності) в залежності електричного опору від температури.

Наукове значення даної роботи полягає в тому, що отримані результати необхідні для формулювання нових підходів і напрямків у проведенні дослідження неоднорідних (гранульованих) надпровідників другого роду.

Так, використовуючи модель зі смугами проковзування фаз були передбачені особливості в генерації електромагнітних коливань безщілинних надпровідників; подальше вивчення поведінки вихрових кілець і гелікоїдів дозволило глибше зрозуміти природу сил пінінгу; виявлення розірваних вихорів поповнило наші знання про особливості змішаного стану, структуру вихорів у неоднорідних надпровідниках та розподілу залишкового магнітного поля; вивчення залежності парапровідності від кількості рухомих дірок на елементарну комірку може бути використано для отримання нової інформації про особливості об'єднання дірок в куперівські пари та інше.

Прикладне значення дисертаційної роботи полягає в тому, що модель “смуг проковзування фаз” рекомендується використовувати як теоретичну основу при констру-юванні та створенні мініатюрних релаксаційних високочастотних генераторів електромаг-нітних коливань, які працюють при низьких температурах.

Виявлення властивостей джозефсонівських та абрикосовських вихрових кілець і гелікоїдів потрібно для отримання проводу із ВТНП з великим критичним струмом.

Отримані дані про властивості керамічних YBa₂Cu₃O_7- ВТНП зразків, які були оброблені рухомими ТЕД, можна використовувати для створення текстурованих струмопідводів до надпровідних соленоїдів та інше.

Особистий внесок здобувача та співавторів полягає в наступному. У працях [1, 19] - сумісне з співавторами написання огляду. Праці [2, 17, 18, 20] - повністю виконані дисертантом. У праці [23] - отримання експериментальних даних, обробка, участь в їх обговоренні та написанні статті. У працях [3, 4] - постановка мети, завдання технологічних характеристик для виготовлення надпровідних зразків з необхідними властивостями, добування та обробка експериментальних даних по дослідженню електричних властивостей, обговорення одержаних результатів та написання статей. В цих працях брали участь та виконували наступну роботу: Семиноженко В.П. - загальне керівництво та участь в обговоренні результатів; Соболев В.Л. - безпосереднє керівництво та обговорення результатів; Хлус В.О. - теоретичне пояснення отриманих результатів; Грінченко Ю.А., Шокуров Ю.П. - розробка, виготовлення та апаратурне забезпечення магнітних вимірювань; Козловський А.А. - проведення магнітних вимірювань, участь в обговоренні та обробці отриманих результатів, Салійчук О.К., Федорова Н.М. - виготовлення зразків. У працях [5 - 9, 21] - постановка мети, добування експериментальних даних для вивчення електричних властивостей, запропонування методики визначення часу магнітної релаксації за допомогою вимірювань магнітної сприйнятливості, запропонування моделі ідеального надпровідника другого роду з енергетичним бар'єром проникненню вихорів, інтерпретація здобутих результатів та написання статей. В цих працях брали участь та виконували наступну роботу: Семиноженко В.П. - загальне керівництво та обговорення добутих результатів; Грінченко Ю.А. - апаратурне забезпечення вимірювань; Козловський А.А. - проведення магнітних вимірювань, участь в обговоренні та обробці експериментальних даних; Салійчук О.К., Дубовик Ф.К. - виготовлення зразків. У праці [22] - участь в проектуванні кріостата та сумісне з Козловським А.А. дослідження його низькотемпературних характеристик, написання статті. У працях [10, 11] - постановка мети, виготовлення апаратури для вимірювання залишкових магнітних полів, інтерпретація добутих результатів та написання статей. В цих працях брали участь та виконували наступну роботу: Козловський А.А. - участь в постановці мети, проведення магнітних вимірювань, обробка експериментальних даних, участь в інтерпретації добутих результатів та в підготовці статей до публікації; Дейнека Т.Г. - виготовлення зразків. У працях [12 - 16] - постановка мети, експериментальне дослідження електричних властивостей, обробка результатів експериментів, інтерпретація добутих даних та написання статей, окрім розділу в праці [12], де надано описання моделі термо-електричного домену. У цих працях брали участь та виконували наступну роботу: Семиноженко В.П. - загальне керівництво та обговорення добутих результатів; Малишев Є.М., Асадов А.К. - дослідження впливу магнітного поля на термо-єлектричний домен; Шевцов М.І., Сумароков С.Ю. - вивчення розподілу основних компонентів Y, Ba та Cu уздовж зразків; Гайдук О.В., Егорова Є.О., Філіпович Л.І. - з'ясування хімічного складу зразків та визначення стехіометричного складу кисьню; Грінченко Ю.А. - апаратурне забезпечення магнітних вимірювань; Козловський А.А. - проведення вимірювань магнітної сприйнятливості та обробка результатів вимірювань; Матейченко П.М. - дослідження морфологіі зразків на електронному мікроскопі; Шокуров Ю.П. - підготовка до проведення вимірювань електричних властивостей зразків; Загоскін В.Г., Пузанова О.О., Логвінова С.Є. - виготовлення зразків; Теплицька Т.С. - проведення рентгенівських вимірювань; Червонная Л.Р. - проведення дериватографічних вимірювань; Філіпов О.Є. розробка моделі та моделювання поведінки домену на комп'ютері; Чуканова І.М.- підготовка та участь в проведенні вимірювань електричних властивостей ітрієвих зразків з доменом в атмосфері кисню. У працях [24, 25] експериментальне дослідження електричних властивостей, обробка та інтерпретація отриманих результатів та участь в написанні в статтях тексту про електричні властивості досліджуваних зразків.

Апробація результатів дисертації. За результатами дисертації були зроблені доповіді на семінарах у Харківському Національному університеті, Донецькому Фізико-Технічному Інституті ім. О.О.Галкіна, Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б.І. Веркіна та в Інституті монокристалів НАН України. Основні результати дисертації були представлені на:

"Всесоюзной конференции по низким температурам НТ - 26", Донецьк, Україна, 1990;

"ІІІ Всесоюзном совещании по ВТСП", Харків, Україна, 1991;

"Intern. Conf. on HTSC and Localization Phenomena", Moscow, USSR, 1991;

"Всесоюзной конференции по низким температурам НТ - 29", Казань, Россия, 1992;

"Fourteenth International Cryogenic Engineering Conference and Internatio-nal Cryogenic Materials Conference - ICEC and ICMC - 14", Київ, Україна,

1992;

"Intern. Sympos. on HTSC and Tunneling Phenomena", Донецьк, Україна, 1992;

"Материаловедение Высокотемпературных Сверхпроводников. Первая Межгосударственная конференция", Харьков, Україна, 1993;

VI Науковому Семiнарі " Физика Магнитных Явлений" Донецьк, Україна, 1993;

Международной конференции "Сверхпроводимость. Физические аспекты", Харків, Україна, 1995;

"Материаловедение Высокотемпературных Сверхпроводников" Вторая Международная Конференция, Харків, Україна, 1995;

2-я Конф. "Физические явления в твердых телах", Харків, Україна, 1995;

EUCAS'93, Gottingen,Germany, 1993;

7th Conference on Superconductivity and Applications, USA, New York, 1994;

7th IWCC, Alpbach, Austria, 1994;

IV-European Ceramic Society Conference, Riccione, Italy, 1995;

5th World Congress on Superconductivity, Budapest, Hungary, 1996;

8th IWCC, Kawazu, Japan, 1996;

2-nd and 3-nd Intern. Summer School on HTSC, Eger,Hungary, 1996, 1997; First Regional Conference on Magnetic and Superconducting Materials

(MSM - 99), Tehran, Iran, 1999;

2000 International Workshop on Superconductivity, Matsue, Japan, 2000;

MSM - 01, Irbid, Jordan, 2001.

Публікації. Основний матеріал дисертації відображено в 39 працях. З них опубліковано 25 наукових статей у провідних міжнародних та вітчизняних журналах, 13 тез доповідей на наукових вітчизняних і міжнародних конференціях та один препринт.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків та списку використаних джерел (на 38 стор.), що містить 369 посилань. Дисертація містить 319 сторінок машинописного тексту, включаючи 69 малюнків та 11 таблиць, які розташовані на окремих аркушах і займають 86 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

дисипація енергія резистивність струм

У вступі міститься стисла характеристика напрямку обраного дослідження, визначено місце дослідження серед інших. Обгрунтована актуальність, мета та основні завдання дослідження, показані наукова новизна і наукова цінність одержаних результатів, коротко сформульовані головні висновки роботи.

У першому розділі досліджуються дисипативний стан плівкових дрібнокристалітних металевих низькотемпературних надпровідників, виготовлених з алюмінію, індію та стануму. Вступна частина розділу присвячена стану проблеми.

В плівкових неоднорідних надпровідниках перехід із бездисипативного стану в дисипативний відбувається завдяки проникненню вихорів у зразки в "слабких" по струму місцях, де різними неоднорідностями та магнітним полем електричного (транспортного) струму поверхневий бар'єр зменшено до нуля [1]. Після проникнення на вихори діє сила Лоренца, і як наслідок цього, вони переміщуються перпендикулярно або під деяким кутом у напрямку транспортного струму.

Метастабільні струмові стани з'являються тоді, коли локальна температура удовж траєкторії руху вихорів в ланцюжку вище за критичну Т_с. Таким чином, поява на ВАХ метастабільних струмових станів є свідченням появи уздовж траєкторії руху вихорів стаціонарних смуг нормальної фази.

Якщо досліджувати ВАХ в режимі заданої напруги, то ВАХ буде мати N-подібний вигляд [2], див. крива 2 на рис. 1. Поява на ВАХ ділянки зі спадом супроводжується ге-нерацією електромагнітних коливань [2], див. вставка на рис. 1. Відсутність пояснення виду ВАХ та незадовільне пояснення появи генерації спонукали зробити аналітичне дослідження процесу проникнення магнітного поля транспортного струму в плівки в цьому випадку.

Після обговорення стану проблеми наведено оригінальні результати аналітичного дослідження, де розглянуті умови, при наявності яких в залежності від ступеня обміну енергії з зовнішнім середовищем, уздовж траєкторії руху вихорів з'являються періодичні зі зміною в часi та просторі вузькі смуги нормальної фази, які перетинають плівку упоперек напрямку транспортного струму. Такі нестаціонарні смуги нормальної фази були названі "смугами проковзування фази" (ППФ). В аналітичному дослідженні за допомогою ППФ було дано пояснення виду ВАХ та доведено, що поява ППФ супровод-жується коливаннями напруги (див. вставку на рис. 1, якa здобутa в роботі [2]) з частотою , яка визначається доведеною нами формулою:

<U> = U_i t_i , (1)

де <U> - середнє значення напруги на зразку,

U_i - амплітудна величина переднього фронту імпульсу,

t_i - тривалість імпульсу.

Амплітудне значення напруги переднього фронту імпульсу перебуває із напруги на смузі нормальної фази плюс мінімальне значення напруги в надпровіднику U₀ = 2/e, де - енергетична щілина надпровідника, а е - заряд електрона.

Температура, магнітне поле та струм впливають на частоту генерації

через їх вплив на . Якщо біля критичної температури в сильних полях зробити = , а , то плівки мають властивості нещілинних надпровідників,

де - параметр порядку надпровідника. В цих надпровідниках екранувальний струм I_s, наведений магнітним полем, перевищує критичний струм I_c [3]. Тому струм генерації I_g буде перевищувати I_c. В звичайному стані зі щілиною у надпровідника I_c(T) (1 - T/T_c)^3/2, а I_c(H) (1 - H²/H_c²)^3/2 [3], тоді як у нещілинному надпровіднику залежність I_s ² призводить до I_g(T) (1 - T/T_c) i I_g(H) (1 - H²/H_c²), де Н_с - критичне магнітне поле.

У другому розділі вивчено вплив зовнішніх збурень на магнітний відгук об'ємних циліндричних керамічних YBa₂Cu₃O_7- та Bi_1-xPb_xSr₂Ca₂Cu₃O_x зразків, які знаходились в слабому змінному магнітному полі. Зразки виготовлялись за допомогою твердофазового синтезу. Досліджувався вплив магнітного поля Н та транспортного струму І на залежність від температури електричного опору R(T, H, I), реальної '(T, H, I) та уявної "(t, H, I) частин комплексної магнітної сприйнятливості. Зовнішнє магнітне поле було спрямоване вздовж зразків та струму. При дії на зразки поля та струму криві залежності R(T, H) i R(T, I) зсувалися в напрямку до низьких температур, а криві '(T, H) i '(T, I) ще й деформувалися - у них з'являлась друга (нижня) сходинка. Така поведінка є свідченням гранулярності зразків, оскільки крива залежності, наприклад, '(T, I) являла собою суперпозицію відгуків від надпровідних гранул ( сигнал між верхньою та нижньою сходинками), та від зв'язків між гранулами (сигнал нижче нижньої сходинки). Зміна форми кривих '(T, H) при дії на зразки подовжнім магнітним полем пояснювалась [4] його впливом на поведінку вихорів в зразках. Тому для пояснення поведінки R(T, I) i '(T, I) використовували модель [5], в якій електричний опір в ізольованому дроті, виготовленому з надпровідника ІІ роду, по якому тече електричний струм, є наслідком проникнення в нього магнітних кільцевих вихорів. Критичний струм появи електричного опору ідеального надпровідника ІІ роду дорівнює [5]

I_c1 = 0,5H_c1ca, (2)

де Н_с1 - нижнє критичне магнітне поле,

с - швидкість світла у вакуумі,

а - радіус проводу.

При досягненні на поверхні провідника магнітного поля Н_і, створеного струмом І, яке перевищує Н_с1, там будуть зароджуватися, а потім під впливом сили лінійного натягу стягуватися та анігілювати в центрі провідника вихрові кільця. Це супроводжується дисипацією енергії, появою електричного опору R, та переходом зразка в дисипативний стан. Радіальна сила, яка приводить до анігіляції вихрових кілець, дорівнює F = Ф_оH_c1/4a [6], де Ф_о - квант магнітного потоку. Тому в реальних зразках такий дисипативний стан настає внаслідок перевищення сили лінійного натягу сили пінінга, тобто F F_p. При збільшенні вимірювального транспортного струму опір R збільшується, а критична температура Т_с - зменшується.

У третьому розділі наведено результати дослідження впливу зовнішнього магнітного поля на критичний струм І_с, резистивний стан, дисипативні процеси та нелінійні ефекти на ВАХ ВТНП об'ємних циліндричних керамічних YBa₂Cu₃O_7- та Bi_1-xPb_xSr₂Ca₂Cu₃O_x зразках. Оскільки зовнішнє магнітне поле було паралельно електричному струму, сила Лоренца дорівнювала нулю, і наявність електричного струму не призводила до руху вихрових кілець до визначеної величини струма і поля. Такі конфігураціі струма та поля називають безсиловими конфігураціями. Дослідження умов, при яких безсилові течі магнітного потоку переходять до близьких до малюнку силових ліній поля, тобто спіральних вихорів, має безсумнівний науковий інтерес.

Але починаючи з Т = 95,1 К ця залежність змінюється (див. рис. 3 (б)) на передбачену [9] для випадка спонтанного проникнення спіральних квантованих магнітних вихорів в надпровідник ІІ роду, яку можна визначити запропонованою нами емперічною формулою (де I_k = 0,013 ампер, H_k =74 ерстед)

I_c²/I_k² + H²/H_k² = 1, (3)

де I_c - величина критичного струму в А, а Н - значення напруженності магнітного поля в ерстедах. Таким чином, експериментально отримані умови, при яких існують або вихрові кільця, або спіральні вихори.

Зміна характеру залежності I_c(H) викликана тим, що ефективний розмір r_D дефектів стає меншим, ніж ефективний радіус джозефсонівського вихору _j. Якщо r_{D j}, то ВТНП - зразки треба розглядати, як надпровідники з ідеально рівною поверхнею, у яких завдяки цьому з'являється поверхневий бар'єр проникненню вихрових кілець. Тому для пояснення властивостей ВТНП - зразків при температурах поблизу Т_с,, нами було запропоновано модель ідеального циліндричного надпровідника ІІ роду з поверхневим бар'єром проникнення кільцевих вихорів. В моделі стверджується, що локальна густина критичного струму j_c дорівнює локальній густині струму розпаровування j₀ до тих пір, доки поле струму Н_і не досягне поля Н_р - зниження бар'єра до нуля. Коли це поле досягнуто, j_c дорівнює нулю, і виконується умова

j_c = j₀, H_i < H_p

j_c = 0, H_i H_p

Для об'ємного значення густини критичного струму подібно тому, як це зроблено раніше [10], одержуємо:

J_c = j₀, a < cH_p/2j₀ (4, a)

J_c = cH_p/2a, a cH_p/2j₀ (4, б)

Фізичне значення формули (4, а) те, що у надпровідники радіусом а < _L, вихрові кільця не входять, і тому в цих зразках критичний струм дорівнює струму розпаровування. Коли радіус циліндра а стає більшим, ніж _L, починає виконуватися умова (4, б). Якщо Н_р = Н_с1, рівняння (2) та (4, б) співпадають, та мають однаковий смисл. Експериментальна залежність J_c(S) від зовнішнього магнітного поля, яка була визначена у ітрієвих зразках, якісно підтвердила слідства, отримані з формул (4, а) та (4, б).

Значення критичного струму залежить крім пінінга ще й від значення міжгранульної магнітної індукції B_j [11]. В праці [12] стверджується, що в міжгранульних зв'язках після вимкнення транспортного струму відбувається зміна знака B_j. Як результат цього, при повторному вимірюванні I_c його значення підвищується. Було зроблено припущення, що I_c зростає завдяки полям розсіяння розірваних вихорів Абрикосова на неоднорідностях, яких багато в досліджуваних ВТНП - зразках. Підтвердженням цього є отримання експериментальної залежності критичного струму від лінійних захопленних та залишкових магнітних полів, які були визначені як експериментально, так і теоретично.

В четвертому розділі наведено результати дослідження дисипації енергії та нелінійних властивостей ВАХ ітрієвих зразків, які знаходяться при кімнатній та вищих температурах, коли по них протікає електричний струм, густина якого перевищує 10⁶ А/м². В таких умовах в зразках з'являлась мобільна область ( довжиною 5 10^-3 м) локального підвищення температури - термо - електричний домен (ТЕД) [13]. Температура його появи - Т_D 400⁰C. У випадку сталого електричного струму ТЕД завжди починає рухатися від контакту, до котрого приєднаний позитивний електрод електрорушійного джерела [13]. Найбільш можливий (ймовірний) механізм розвитку нестійкості в однорідному розподілі електричного поля та появи ТЕД в зразку - є температурно-концентраційний. Нелінійні ефекти на ВАХ та інші властивості зразків, які з'являються після появи та проходження по ним ТЕД, визначали за допомогою електричних, магнітних, термогравіметричних, хімічних, рентгенівських та електронно-мікроскопічних методів дослідження.

У п'ятому розділі викладаються результати дослідження нелінійності в залежностях електричного опору від температури в керамічних ітрієвих ВТНП - зразках з низькою концентрацією рухомих носіїв заряду (дірок) у температурній області існування флуктуаційної провідності. Окремо від цього було виявлено вплив на залежність R(T) домішок та умов виготовлення зразків.

Вимірювання електричної провідності та флуктуаційної поправки до неї (нелінійності в провідності) дозволяють прослідкувати початок, тобто флуктуаційне зародження бездисипативного стану та об'єднання носіїв заряду у куперівські пари. У досліджених ітрієвих ВТНП - зразках в певному температурному інтервалі спостерігалась двовимірна флуктуаційна надпровідність, яка подібна до надпровідності низькотемпературних надпровідних металевих плівок [14].

У YBa₂Cu₃O_7- ВТНП - зразках зі зміною Т_с змінюється та ефективна концентрація рухомих носіїв заряду р [15]. Ітрієві зразки з відмінними Т_с та одержували після їх обробки рухомими ТЕД.

У заключенні підсумовуються основні результати та висновки.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В металевих плівкових дрібнокристалітних надпровідниках ІІ роду, які знаходяться в дисипативному стані, запропоновано механізм появи змінних у часі та просторі резистивних доменів (смуг нормальної фази, названних “смугами проковзування фази”), за допомогою яких пояснено генерацію електромагнітних коливань у таких плівках.

Експериментально знайдено зв'язок між характером резистивного переходу у дисипативний стан та існуванням утворень кільцевого і гелікоідального виду із вихорів Джозефсона або Абрикосова.

Для пояснення експериментально виявлених властивостей керамічних ВТНП

YBa₂Cu₃O_7- i Bi_1,6Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x зразків, які знаходились при температурах поблизу критичної, запропоновано модель дисипативного стану ідеального циліндричного надпровідника ІІ роду з поверхневим бар'єром проникненню вихорів.

.Експериментально досліджено вплив залишкових кільцевих та лінійних магнітних полів на критичний струм YBa₂Cu₃O_7- i Bi_1,6Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_x керамічних ВТНП - зразків, який пояснено існуванням в таких неоднорідних надпровідниках другого роду розірваних вихорів Абрикосова.

5. Показано, що нелінійність на ВАХ ітрієвих зразків, які знаходяться в нормальному стані при кімнатній та вищих температурах, з'являється після розвитку нестійкості електричного струму та появи температурно - електричного домена.

6. Експериментально доведено, що зміна концентрації рухомих дірок в керамічних ітрієвих ВТНП зразках змінює кількість флуктуаційно утворених куперівських пар.

CПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1..Семиноженко В.П., Соболев В.Л., Хирный В.Ф. Способы получения проводов из ВТСП // Обзоры по высокотемпературной сверхпроводимос-ти. -1991. - Выпуск 1 (5). - С. 19 - 44.

2.Хирный В.Ф. Джозефсоновская и неджозефсоновская генерация -динамическое резистивное состояние в широких сверхпроводящих пленках // Физика твердого тела. - 1998. - Т. 41, N 4. - С. 577 - 581.

3.Гринченко Ю.А., Салийчук Е.К., Семиноженко В.П., Соболев В.Л., Козловский А.А., Хирный В.Ф., Шокуров Ю.П., Федорова Н.Н. Влияние транспортного тока на элект-рические и магнитные свойства Bi - содержащих образцов. Исследование граничных условий // Сверхпроводимость: физика, химия, техника. - 1992. - Т. 5, N 11. - С. 2064 - 2071.

4.Khirnyi V.F., Seminozhenko V.P., Kozlovsky A.A.. Circular vortices in HTSC ceramics and critical current density dependence on the sample cross - section area // Functional Materials. - 1996.-V. 3, N 2, - P. 179 - 181.

5.Seminozhenko V.P., Khirnyi V.F., Grinchenko Yu.A., Kozlovskii A.A., Salijchuk E.K, Du-bovik F.K. The effect of technology, alternative and impulse currenty on _ac and the relaxa-tion time in Bi_1,6Pb_0,4Sr₂Ca₂Cu₃O_y // Физика и Техника Высоких Давлений. - 1993 - Т. 3, N 1, - С. 147 - 154.

6.Семиноженко В.П., Хирный В.Ф., Гринченко Ю.А., Козловский А.А. Непосредствен-ное наблюдение времен магнитной релаксации гранул и межгранульных связей в Bi Pb - образцах, находящихся в слабых переменных магнитных полях. Исследование динамики вихревых колец Джозефсона.// Сверхпроводимость: физика, химия, техника. - 1993. - Т. 6, N 11 - 12. - С. 2010 - 2020.

7.Хирный В.Ф., Семиноженко В.П., Козловский А.А., Гринченко Ю.А. Обнаружение и исследование свойств круговых вихревых колец в Bi_1,6Pb_0,4 Sr₂Ca₂Cu₃O_x в сверхпро-водниках II рода с током. // Физика низких темпера-тур. - 1994. - Т. 20, N 8, - С. 774 - 777.

8.Grinchenko Yu.A., Saliichuk Je.K., Seminozhenko V.P., Sobolev V.L. Kozlovskii A.A., Khlus V.A., Khirnyi V.F., Shokurov Yu.P., Fyodorova N.N. Transport Current Effect on Properties of Bi - containing HTSC Samples. Investigation of Boundary Conditions // Superconducting Science and Technologe. - 1992.- V.5. - P. S. 468 - 470

9. Хирный В.Ф., Семиноженко В.П., Козловский А.А. Круговые и геликоидальные вихри в ВТСП. Зависимость плотности критического тока от площади поперечного сечения образца // Физика твердого тела. - 1996. - Т. 38, N 10. - С. 2951 - 2958.

10. Козловский А.А., Хирный В.Ф. Критический ток, захваченные магнитные поля и разорванные вихри в керамических ВТСП образцах // Физика твердого тела. - 2000. - Т. 43, N 10. - С.1780-1785.

11. Khirnyi V.F., Kozlovskii A.A., Deyneka T.G. Effect of remanent magnetic fiеlds on critical current in ceramic HTSC with broken vortices // Functional Materials. 2001. - V.8, N 3. - P. 508 - 515.

12.Хирный В.Ф., Семиноженко В.П., Сумароков С.Ю., Шевцов Н.И., Загоскин В.Т., Малышев Е.Н., Филиппов А.Э., Асадов А.К. Изучение температурно - электричес- ких доменов и их влияние на свойства иттриевой керамики // Сверхпроводимость: физика, химия, техника - 1994. - Т. 7, N 4. - С. 575 - 588.

Seminozhenko V.P., Khirnyi V.F., Shevtsov N.I., Mateichenko P.V., Kozlovskii A.A., Teplitskaya T.S., Shokurov Yu.P., Sumarokov S.Yu. Investigation of the properties of yttrium ceramics treated by temperature - electric domains // Functional Materials. - 1994. - V. 1, N 1. - P. 19 - 24.

Хирный В.Ф., Семиноженко В.П., Загоскин В.Т., Шевцов Н.И. Сумароков С.Ю., Матейченко П.В., Гринченко Ю.А., Козловский А.А.,Червоная Л.Р., Теплицкая Т.С., Пузанова А.А., Гайдук О.В., Егорова Л.А., Филиппович Л.И. Изучение физико-химических свойств керамических YBCO образцов, обработанных температурно-электрическими доменами с целью получения текстуры // Физика и химия обработки материалов. - 1995. - Т. 32, N5. - C. 66 - 70.

15. Хирный В.Ф., Матейченко П.М., Логвинова С.Е., Шокуров В.П., Загоскин В.Т. Соединение керамических ВТСП образцов методом сплавления с помощью термо- электрического домена // Журнал технической физики. - 1994. - Т. 64, N 8. - С. 200 - 204.

Размещено на Allbest.ru