Гістерезисні та магнітострикційні ефекти в монокристалах діселеніду ніобію

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

ГІСТЕРЕЗИСНІ ТА МАГНІТОСТРИКЦІЙНІ ЕФЕКТИ В МОНОКРИСТАЛАХ ДІСЕЛЕНІДУ НІОБІЮ

01.04.07 - фізика твердого тіла

ШАБАКАЄВА ЮЛІЯ АНВЕРІВНА

Харків - 2005

Дисертація є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Сіренко Валентина Анатоліївна, (ФТІНТ ім. Б.І.Вєркіна НАН України, відділ магнетизму, провідний науковий співробітник).

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, Свистунов Володимир Михайлович, (Національний Технічний Університет “Харківський Політехнічний Інститут”, завідувач кафедри технічної кріофізики);

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Безносов Анатолій Борисович, (ФТІНТ ім. Б.І.Вєркіна НАН України, відділ оптичних і магнітних властивостей твердих тіл, старший науковий співробітник).

Провідна установа: Харківський Національний Університет ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України, кафедра фізики низьких температур фізичного факультету.

Захист відбудеться “ 20 ” вересня 2005 р. о 15 00 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 64.175.03 при Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України (61103, м. Харків, пр. Леніна, 47).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ФТІНТ ім. Б. І. Вєркіна НАН України, 61103, м. Харків, пр. Леніна, 47.

Автореферат розіслано “ 11 ” серпня 2005 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.175.03

доктор фізико-математичних наук, професор Є.С. Сиркін

АНОТАЦІЇ

Шабакаєва Ю.А. Гістерезисні та магнітострикційні ефекти в монокристалах діселеніду ніобію.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - Фізика твердого тіла. На правах рукопису. Фізико-технічній інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, Харків, 2005.

Проведено вимірювання магнітострикції надпровідних монокристалів 2H-NbSe₂ в інтервалі температур Т = 1.5 ч 8 К у магнітних полях до 14 Тл. Виявлено, що польові залежності магнітострикції та намагніченості характеризуються наявністю необоротності, максимумів в області високих полів, осциляцій вище та нижче поля “пік-ефекту” та монотонної оборотної компоненти. Порівняння результатів дозволило проаналізувати ряд проблем змішаного стану анізотропного надпровідника, а саме, особливості форми поверхні Фермі нижче переходу в стан із хвилями зарядової густини, залежність поверхні Фермі від тиску, перетворення в структурі вихорової матерії та існування поперечної компоненти намагніченості в нахилених полях.

Ключові слова: надпровідник, магнітострикція, пінинг магнітного потоку, пік-ефект, квантові осциляції, власний обертаючий момент.

Шабакаева Ю.А. Гистерезисные и магнитострикционные эффекты в монокристаллах диселенида ниобия.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - Физика твердого тела. На правах рукописи. Физико-технический институт низких температур им. Б. И. Веркина НАН Украины, Харьков, 2005.

Измерения магнитострикции монокристаллов 2H-NbSe₂ проведены помощью емкостного дилатометра проведено в магнитных полях до 14 Тл и в интервале температур Т = 1.5 ч 8 К, а с помощью емкостного рычажного торсиометра - измерения намагниченности в температурном интервале Т = 1.5 ч 4.2 К в магнитном поле до 20 Тл. Обнаружено, что полевые зависимости магнитострикции и намагниченности характеризуются наличием необратимости, максимумов в области высоких полей, осцилляций выше и ниже поля “пик-эффекта“ и монотонной обратимой компоненты. Продольная магнитострикция в пике более чем на порядок превышает соответствующие значения поперечной магнитострикции, измеренные вдоль гексагональной оси с. Анализ полевых зависимостей необратимой магнитострикции и намагниченности позволил связать обнаруженные на них особенности вблизи верхнего критического поля, с “пик-эффектом”, который соответствует области превращений в структуре ансамбля вихрей в этом соединении, происходящих путем фазового перехода первого рода. Проведен анализ возможности описания экспериментальных зависимостей необратимой магнитострикции и намагниченности с использованием закона подобия. Доказано, что при низких температурах в области гигантского пика полевые зависимости необратимой магнитострикции описываются законом подобия с аномально большим показателем степени n = 6.5. Анализ этого закона подобия для полевой зависимости магнитострикции, показал, что аномальный показатель степени n определяется полевыми зависимостями элементарной силы пиннинга, корреляционного объема и термическими флуктуациями в области верхнего критического поля. Сравнительный анализ зависимостей осцилляционных компонент магнитострикции и намагниченности от обратного магнитного поля показал, что обнаруженные осцилляции равновесной компоненты магнитострикции в смешанном состоянии несомненно связанны с квантованием уровней Ландау. Также в работе впервые оценена чувствительность площади экстремального сечения поверхности Ферми 2H-NbSe₂ к напряжению. Ее высокое значение связано с особенностями геометрии поверхности Ферми 2H-NbSe₂ и является причиной усиления осцилляций магнитострикции в сравнении с осцилляциями намагниченности. Выделена поперечная составляющая абсолютной намагниченности в магнитном поле, направленном под углом 77^° к оси анизотропии, и проведен анализ ее зависимости от магнитного поля в обратимой области смешанного состояния. На основании полученных данных определены глубина проникновения и параметры анизотропии исследованного образца.

Ключевые слова: сверхпроводник, магнитострикция, пиннинг магнитного потока, пик-эффект, квантовые осцилляции, собственный вращающий момент.

Shabakayeva Yu.A. Hysteretic and magnetostriction effects in niobium diselenide single crystals. Manuscript.

Thesis for а candidate's degree in physics and mathematics, speciality 01.04.07 - Condensed Matter Physics. By right of a manuscript, B.I. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering NAS Ukraine, Kharkov, 2005.

Magnetostriction measurements 2H-NbSe₂ single crystals in the temperature range of 1.5 - 8 K in a magnetic field up to 14 T are reported. Magnetostriction measurements in the mixed state have revealed its irreversible dependence on magnetic field, “peak-effect”, similar to that of magnetization, oscillatory part below and above the field of peak-effect and monotonic reversible component. Comparison of the obtained results with magnetization measurements allows one to analyze variety of the processes in the mixed state of anisotropic superconductor, including peculiarities of the Fermi surface shape below charge density wave transition and its pressure dependence, transformations in the structure of vortex matter, appearance of transverse component of magnetization in tilted fields.

Key words: magnetostriction, vortex matter, pinning, peak-effect, quantum oscillation, intrinsic torque.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В останні роки дослідження магнітопружних характеристик шаруватих матеріалів, зокрема наноструктур, становлять зміст одного з найцікавіших і перспективних напрямків фізики твердого тіла. Інтерес до об'єктів із сильно вираженою анізотропією кристалічної структури та електронного спектра у значній мірі обумовлено тим, що в таких сполуках були виявлені ефекти гігантського від'ємного магнітоопору та високотемпературної надпровідності. Анізотропія взаємодій і особливості поверхні Фермі цих матеріалів диктують різноманіття фазових переходів у них, взаємозв'язок яких до останнього часу залишався не дослідженим ні теоретично ні експериментально. Залишалися не з'ясованими такі важливі фізичні проблеми, як кореляція структурних і магнітних властивостей та особливості їхнього прояву при низьких температурах і в області високих магнітних полів. Окрема проблема, яка вже здавна пригортає увагу теоретиків і експериментаторів, що займаються фізикою шаруватих матеріалів, полягає у вивченні особливостей поверхні Фермі та, зокрема, у досліджені їхніх проявів, пов'язаних із квантуванням електронних рівнів Ландау.

Досліджений у роботі діселенід ніобію 2H-NbSe₂ викликає особливий інтерес у зв'язку з різноманітністю структурних та електронних переходів чутливих до магнітного поля, тиску та інтеркалювання. Разом з тим, у плані вивчення магнітострикції цей матеріал ніколи не досліджувався. Не проводилися експерименти з пошуку можливих проявів ефекту поперечного намагнічування. Не здійснювалися дослідження зв'язку магнітопружних характеристик з особливостями поверхні Фермі та фазовими переходами, наприклад, надпровідним. Таким чином, вивчення анізотропії магнітопружних взаємодій у цьому матеріалі є актуальними та дозволяють просунутися в розумінні механізмів кореляцій електронної та структурної підсистем шаруватих твердих тіл і впливу на них структурної анізотропії, різного роду дефектів кристалічної гратки та неоднорідностей параметрів порядку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу Шабакаєвої Ю.А. виконано у відділі магнетизму ФТIНТ ім. Б.І.Вєркіна НАН України в рамках тематичних планів інституту з відомчих тематик, затверджених Президією НАН України: Ф2-1 "Низькотемпературні магнітні, оптичні і резонансні властивості сполук з сильною взаємодією магнітної, електронної та іонної підсистем" (№ держ. реєстрації 0100U006266) та Ф4-10 “Низькотемпературні властивості магнітоконцентрованих фероїків та твердотільних систем” (№ держ. реєстрації 0104U003035). Робота також виконувалася за проектом 02.07/00359 (договір № Ф7/394-2001) МОН України "Комплексні фізичні дослідження природи надпровідного стану в шаруватих системах з різним спектром квазічастинкових збуджень", а також у рамках молодіжного гранту НАН України "Неоднорідні магнітні стани та ефекти розділення фаз у магнетиках та надпровідниках " (№ держ. реєстрації 0103U008092).

Мета дисертаційної роботи полягала у пошуках прояву ефектів магнітострикції в 2H-NbSe₂ при низьких температурах та у зовнішніх магнітних полях, і встановленні їхнього взаємозв'язку з структурними та електронними особливостями цієї сполуки.

Об'єктом досліджень є магнітострикційні явища у сильноанізотропних матеріалах.

Предметом дослідження є магнітопружні взаємодії та ефекти намагніченості.

Виміри магнітострикції монокристала 2H-NbSe₂ проводилися ємнісним методом у магнітних полях до 14 Тл при T = 1.5, 2.5, 4.2, 8.0 K, а виміри намагніченості - методом обертаючого моменту зразка у магнітних полях до 20 Тл при T = 1.5, 2.5, 4.2 K.

Наукова новизна отриманих результатів визначається наступними положеннями, що мають пріоритетний характер:

вперше виявлено ефект магнітострикції в монокристалах анізотропного 2H-NbSe₂ при низьких температурах. Виділено необоротну та рівноважну компоненти в залежностях магнітострикції від магнітного поля в інтервалі 0 - 20 Тл;

вперше спостережено осциляції рівноважної компоненти магнітострикції у фазі Шубнікова. Доведено, що рівноважна компонента магнітострикції 2H-NbSe₂ обумовлена внеском об'єму нормальної фази. Встановлено пряму кореляцію між осциляціями магнітострикції та намагнічування, що дозволяє пов'язати ефект осциляцій магнітострикції в магнітному полі з квантуванням рівнів Ландау;

вперше для 2H-NbSe₂ знайдено чутливість площини екстремального перетину поверхні Фермі м²/Н (“стисливість”) до напруги, яка є на порядок вищою, ніж в інших металах як то міді, сріблі, золоті, що обумовлено особливостями поверхні Фермі 2H-NbSe₂;

виявлено гігантський пік на необоротній компоненті магнітострикції сполуки 2H-NbSe₂ в фазі Шубнікова поблизу верхнього критичного поля. Вперше доведено, що при низьких температурах в області піка польові залежності магнітострикції описуються законом подібності (скейлінгу) з аномально великим показником ступеню n = 6.5;

вперше спостережено рівноважне намагнічування монокристала низькотемпературного надпровідника 2H-NbSe₂ поза напрямом зовнішнього магнітного поля, що підтверджує загальну природу “власного” обертаючого моменту анізотропних сполук в умовах фазових переходів у магнітнім полі.

Наукова і практична цінність результатів дисертації полягає в тому, що в ній вперше проведено комплексне дослідження магнітострикційних ефектів у шаруватій сполуці діхалькогеніду ніобію 2H-NbSe₂, що має суттєве значення для кращого розуміння фізичних процесів у анізотропних твердих тілах.

Апробація результатів проходила на таких наукових конференціях:

· The European Conference: Physics of magnetism (Познань, Польща, 1-5 липня, 2002);

· Applied Superconductivity Conference: Technology for 21^st Century (Хьюстон, США, 4 - 9 вересня, 2002);

· 12-th General Conference of the European Physical Society “Trends in Physics” (Будапешт, Угорщина, 26-30 серпня, 2002);

· всеукраїнська конференція студентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики ЕВРІКА-2003 (Львів, Україна, 21-23 травня 2003);

· NATO ADVANCED WORKSHOP: Magnetic interaction phenomena in crystals MEIPIC-5 (Судак, Крим, Україна, 21-23 вересня, 2003).

Особистий внесок. Постановка задач здійснювалася д. фіз.-мат. наук Сіренко В.А. Усі наукові статті Шабакаєвої Ю.А., що містять основні результати даної роботи, опубліковані в співавторстві, але її особистий внесок в ці роботи є визначальним та складається з такого:

у роботі [1] - автор брала участь у розробці методики обробки зображень, отриманих у результаті візуального спостереження розподілу магнітного потоку по поверхні зразка. Виконана особисто автором обробка зображень дозволила визначити величини магнітної індукції та градієнту магнітного потоку в зразку, знайти кореляційну функцію для просторового розподілу цих величин, вибрати адекватну модель змішаного стану, а також встановити, що розподіл магнітного потоку, отриманий з результатів вимірів магнітострикції, задовільно узгоджується з результатами отриманими при комп'ютерній обробці магнітооптичних зображень;

у роботі [2] - автор брала участь у систематизації та обробці отриманих первинних даних, розробці методики обробки польових залежностей оборотних компонентів магнітострикції і намагніченості 2H-NbSe₂. Систематизацію та обробку здобутих експериментальних даних виконано особисто автором. Автором також виконано термодинамічний розрахунок похідної площі екстремального перетину поверхні Фермі S_m, перпендикулярно магнітному полю, по напрузі , уздовж прикладеного поля;

у роботі [3] - автор брала активну участь в одержанні та обробці даних, аналізі можливості опису експериментальних залежностей необоротної магнітострикції та намагніченості з використанням закону подібності;

у роботі [4] - автор брала участь в обробці та аналізі результатів вимірів польових залежностей обертаючого моменту монокристалів 2H-NbSe₂ в області рівноважного намагнічування та розрахунку параметрів анізотропії цієї сполуки;

у роботі [5] - автор брала участь у аналізі експериментальних залежностей необоротної магнітострикції та намагніченості, у порівнянні оборотних компонентів магнітострикції і намагніченості 2H-NbSe₂.

Результати розрахунків та зміст публікацій [1-5], підготовка доповідей або їхніх тез [6-8] обговорювалися з науковим керівником. Узагальнення ж результатів досліджень у дисертаційній роботі зроблено дисертантом самостійно. Таким чином внесок дисертанта у виконану роботу є визначальним. Результати досліджень виносяться на захист вперше.

Здобуті в дисертації результати, висновки та положення достовірні і обґрунтовані, оскільки вони базуються на добре апробованих методах експерименту фізики твердого тіла та добре узгоджуються з існуючими фізичними уявленнями про досліджувані процеси.

Публікації. Основні результати представлені в дисертації, опубліковані у 4 наукових статтях в провідних фахових журналах [1-4], а також в 1 збірнику наукових праць [5] та в 3 матеріалах (тезах) наукових конференцій [6-8].

Структура дисертаційної роботи: дисертація складається зі списку скорочень і використаних позначень, вступу, п'яти розділів основного тексту з 34 рисунками та 5 таблицями, висновків і списку цитованих джерел, що містить 165 найменувань. Дисертацію викладено на 130 сторінках, список цитованих джерел міститься на 15 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

магнітострикція анізотропний надпровідний монокристал

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність проблеми, сформульовані мета і основні задачі досліджень, висвітлено наукову новизну здобутих результатів. Крім цього охарактеризовано особистий внесок здобувача, а також приведені дані про апробацію і публікацію матеріалів досліджень та структуру дисертації. У вступі відзначено зв'язок роботи з науковими програмами та темами.

Перший розділ “Магнітострикційні ефекти в надпровідниках та магнетиках”, що носить оглядовий характер, присвячено опису традиційних складових магнітострикції у порівнянні зі стрикцією надпровідників. Особливу увагу приділено опису гігантської стрикції, що індукована пінингом магнітного потоку, та можливостям її застосування, як надійного інструменту для дослідження вихорової матерії. Останній пункт розділу присвячено опису особливостей кристалічної та електронної структур досліджуваного зразка 2H-NbSe₂, відповідальних за його поведінку в нормальному, змішаному та надпровідному станах. Наприкінці розділу на основі наведеного аналізу сформульовані коло задач і мотивація роботи.

Другий розділ “Методика експерименту” присвячено опису використаних методів експериментального дослідження, проведеного з метою вивчення відповідності магнітних та стрикційних властивостей 2H-NbSe₂. Всі виміри магнітострикції, теплового розширення, намагніченості проведено на високочистих монокристалах 2H-NbSe₂. Зміна розмірів монокристала 2H-NbSe₂, розташованого в магнітному полі, вивчалась ємнісним методом. Вимірювалися компоненти магнітострикції (ca), (cc) і (аa), де перша літера у дужках позначає напрямок деформації, а друга - поля. Всі виміри було проведено в магнітному полі до 14 Тл, а швидкість зміни поля не перевищувала мТл/сек. В комірці ділатометра, що використовувалася для виміру магнітострикції і теплового розширення уздовж осі с, зразок через тримач деформував металеву діафрагму, що виконувала роль рухливої пластини конденсатора. Інша пластина була жорстко закріплена та не змінювала під час вимірів свого положення в просторі. Головною вимогою до пристрою для виміру уздовж осі а, внаслідок крихкості та маленької площі поперечного переріза зразка при цій орієнтації, було зниження сили, що діє на зразок. Зміні довжини зразка, в обох випадках, ставиться у відповідність зміна ємності, тому що конденсатор вимірювальної комірки підключався в мостову схему. Контроль температури реалізовувався за допомогою температурного контролера із вхідним сигналом від синхронного підсилювача (lock-in amplifier), з'єднаного через пасивний міст із ємнісним термометром.

Виміри обертаючого моменту ф, що діє на одновісний надпровідний монокристал у нахиленому магнітному полі 0 - 20 Тл в інтервалі температур 1.5 - 4.2 К проводилися за допомогою ємнісного важільного торсіометру. Ці виміри, спрямовані на пошук поперечної складової намагніченості в рівноважній області змішаного стану надпровідника, спричиняють наступні вимоги до об'єкта дослідження та до методики експерименту:

- досліджуваний зразок повинен бути анізотропним надпровідником. 2H-NbSe₂ відповідає цій вимозі, тому що його параметри анізотропії близькі до параметрів анізотропії високотемпературного надпровідника Y-Ba-Cu-O, на якому вперше спостерігався “власний“ обертаючий момент (відношення ефективних мас уздовж осі с та в надпровідній площині 10 і 25, відповідно). Крім того, 2H-NbSe₂ характеризується одновісною анізотропією, і тому для його випадку не потрібне допущення, пов'язане з орторомбічністю кристалографічних площин, відповідальних за надпровідність;

- вплив пінинга повинен бути мінімальним. Відношення критичного струму , пов'язаного з пінингом, до критичного струму розпарювання , є мірою чистоти надпровідника. У цьому випадку монокристали 2H-NbSe₂ є високочистими кристалами, тому що ;

- у зв'язку з тим, що величина рівноважної намагніченості невелика, у порівнянні із прикладеним полем, бажане збільшення вимірюваного обертаючого моменту ф за рахунок об'єму V зразка відповідно до формули [1]:

(1)

У нашому випадку це реалізується завдяки можливості одержання кристалів 2H-NbSe₂ великих розмірів;

- використована в дисертаційній роботі методика виміру [2] обертаючого моменту зразка, дозволила одержати чутливість 10^-12 динсм. Це досягалося в такий спосіб. Обертаючий момент зразка передавався реєструючий системі за допомогою CuBe пружини, твердість якої підбиралася відповідно до маси зразка. Реєстрація сигналу проводилася ємнісним методом Гріссена [3], відомим у високоточній дилатометрії, з використанням мостової схеми. Цей метод дозволяє вимірювати ємність із точністю 10^-4 пФ. Виміри у великогабаритному магніті дозволили досягти високої однорідності поля в області зразка. Магнітне поле змінювалося зі швидкістю 0.18 Тл/хв. Для визначення абсолютних значень M у кожному експерименті проводилося калібрування сигналу ємнісного датчика за допомогою мініатюрної котушки, розташованої в області зразка, в полі 12 Тл з похибкою 3 %;

- кут між напрямком прикладеного магнітного поля H і кристалографічною віссю с зразка становив 77°, тобто від площини ab поле було відхилено на 13°. Кут визначався з похибкою 1°, що можна вважати задовільним для вимірів польових залежностей обертаючого моменту.

Третій розділ має назву “Необоротна магнітострикція та намагніченість надпровідного 2H-NbSe₂ в області пік-ефекту”. Він містить результати вимірів магнітострикції надпровідного монокристала 2H-NbSe₂ у змішаному стані в інтервалі полів 0 - 12 Тл, прикладених у базисній площині зразка, а також результати вимірів намагніченості на тому ж самому зразку в інтервалі полів 0 - 20 Тл. Отримані польові залежності магнітострикції та намагніченості характеризуються наявністю необоротності, осциляцій та максимумів в області високих полів (рис. 1). Поздовжня магнітострикція (aa) у піку більш, ніж на порядок перевищує відповідні значення поперечної магнітострикції (ca), обмірювані уздовж гексагональної осі с.

Рис. 1. Польові залежності магнітострикції, обмірювані в полі прикладеному перпендикулярно гексагональній осі c ( ) при Т = 1.5 К, 2.5 К, 4.2 К, 8 К: напрямок виміру стрикційних деформацій був перпендикулярний (а) або паралельний прикладеному полю (б)

Осциляції магнітострикції в змішаному стані надпровідності виявлені вперше. Була виділена оборотна магнітострикція , що визначається чутливістю термодинамічних характеристик надпровідника до тиску, а також необоротна компонента , пов'язана з пінингом магнітного потоку на неоднорідностях кристалічної гратки. Величину теплового розширення в нормальному стані було отримано екстраполяцією експериментальних даних в область низьких температур. Проведено аналіз можливості опису експериментальних залежностей необоротної магнітострикції і намагніченості за використанням закону подібності (скейлінгу). Доведено, що в приведених координатах (рис. 2) необоротна компонента магнітострикції для різних температур T < T_c описується універсальним законом подібності з показником ступеню n = 6.5, аналогічно виміряним залежностям необоротної намагніченості.

Показано, що виявлені особливості на польових залежностях необоротної магнітострикції монокристалів надпровідного 2H-NbSe₂ поблизу верхнього критичного поля пов'язані з “пік-ефектом”, що відповідає області перетворень у структурі ансамблю вихорів [4] у цій сполуці, які відбуваються шляхом фазового переходу першого роду [5]. Зроблено оцінку похідної поля переходу по тиску кГс/кбар.

 а) б)

Рис. 2. Ізотермічні польові залежності необоротної магнітострикції (а) та необоротної намагніченості (б) 2H-NbSe2 у приведених координатах. - поле, при якому спостерігається пік при даній температурі, - максимальне значення необоротної магнітострикції при даній температурі

Доведено, що показник ступеню n у законі подібності визначається польовими залежностями елементарної сили пінинга, кореляційного об'єму та термічними флуктуаціями в області верхнього критичного поля. У відповідності з експериментом та запропонованим розглядом у 2H-NbSe₂ показник ступеня повинен бути вище, ніж у низькотемпературних надпровідниках із низькою ймовірністю термічних флуктуацій.

У четвертому розділі “Осциляції намагніченості та магнітострикції у змішаному стані 2H-NbSe₂” наведено результати порівняльного аналізу осциляційних компонент оборотної абсолютної намагніченості та оборотної магнітострикції в монокристалах надпровідної сполуки 2H-NbSe₂ в інтервалі полів 0 20 Тл, орієнтованих у площині шарів перпендикулярно гексагональній осі с, і температур 1.5 8 K. Для подальшого аналізу осциляційна компонента магнітострикції визначалася як , де , - магнітострикція, обмірювана при намагнічуванні зразка, - магнітострикція, обмірювана при розмагнічуванні зразка, а - монотонна компонента . Аналогічна процедура була пророблена і для визначення осциляційної компоненти абсолютної намагніченості зразка () [6]. На жаль, тому що умови виміру магнітострикції не дозволяли досягти полів вище 14 Тл, порівняння результатів вимірів магнітострикції та намагніченості було можливе тільки в обмеженій області. Як і при ефекті де Гааза-ван Альфена, осциляції магнітострикції періодичні по . Амплітуда вперше спостережених у змішаному стані осциляцій магнітострикції відрізняється від амплітуд вище верхнього критичного поля, що може бути пов'язане з розсіюванням електронів на вихорах Абрикосова аналогічно намагніченості (рис. 3). Вставки на рис. 3 ілюструють результати Фур'є-аналізу експериментальних даних, що дозволив визначити частоти осциляцій магнітострикції та намагніченості F_MS та F_M, відповідно. F_MS дорівнює F_M, а значить обидва ефекти обумовлено квантуванням електронного спектра Ландау [6, 7]. Осциляції магнітострикції виражені більш яскраво, ніж осциляції намагніченості, вони з'являються в більш слабких полях і мають більшу амплітуду, ніж осциляції намагніченості. Наявні дані про форму та особливості поверхні Фермі 2H-NbSe₂, дозволяють зробити припущення про її чутливість до тиску та механічних напруг. Це підтверджується високою чутливістю характеристик надпровідності цієї сполуки до тиску. Аналіз осциляцій магнітострикції 2H-NbSe₂, наведений у цьому розділі, є подальшим кроком у напрямку цих досліджень. Виявлені осциляції магнітострикції у надпровідному монокристалі діселеніду ніобію, у порівнянні з осциляціями де Гааза-ван Альфена, дозволяють досліджувати вплив механічних напруг на зонну структуру цього матеріалу [8, 9]. Одержані значення амплітуд осциляцій магнітострикції A_MS і намагніченості A_M однієї певної частоти використовувалися для розрахунку похідної площі екстремального перетину поверхні Фермі S_m, перпендикулярної магнітному полю, по напрузі уздовж прикладеного поля, за співвідношенням, отриманим у ході аналізу осциляційної частини термодинамічного потенціалу [8, 9]:

(2)

Термодинамічний аналіз показав, що 2H-NbSe₂ характеризується незвичайно високим, у порівнянні з іншими металами, але порівняним зі значеннями для напівметалу Bi і напівпровідника p-PbTe [1], значенням похідній екстремального перетину поверхні Фермі по деформації = 148.5 10^-11 м² /Н. Це пов'язано з особливостями геометрії поверхні.

Рис. 3. Осциляційні складові оборотних компонентів магнітострикції (а) і намагніченості (б) 2H-NbSe2 у залежності від зворотного магнітного поля. На вставках - результати аналізу експериментальних даних, що використовувалися для визначення частот основних гармонік FMS та FM

П'ятий розділ "Поперечна намагніченість анізотропного 2H-NbSe₂" присвячено результатам виміру обертаючого моменту ф, що діє на високоякісний одновісний надпровідний монокристал 2H-NbSe₂ у нахиленому магнітному полі 0 - 20 Тл, в інтервалі температур 1.5 - 4.2 К. Слід зазначити, що обертаючий момент надпровідників має фундаментальне значення, тому що свідчить про наявність поперечної щодо прикладеного магнітного поля складової абсолютної намагніченості, . І якщо на традиційних надпровідниках виміри обертаючого магнітного моменту були пов'язані, то з відкриттям високотемпературних надпровідників було висловлене припущення про можливість “власного” обертаючого моменту анізотропних надпровідників у рівноважній області намагнічування [10]. Обертаючий момент не зв'язаний ні з пінингом, а обумовлений тенденцією вихорів Абрикосова анізотропного надпровідника орієнтуватися в певному кристалографічному напрямку. У роботах [11, 12], на підставі вимірювань кутових залежностей обертаючого моменту в рамках Лондонівської електродинаміки і феноменології Гінзбурга-Ландау досліджувалися термодинамічні характеристики рівноважної гратки вихорів Абрикосова.

У п'ятому розділі вперше проведено аналіз польових залежностей обертаючого моменту ф, виміряного на одновісному низькотемпературному надпровіднику в рівноважній області намагнічування. Зазначимо, що досліджувана сполука є класичним Лондонівським надпровідником, тому що глибина проникнення магнітного поля л істотно перевищує довжину когерентності о. Характерну криву польової залежності обертаючого моменту, отриману при T = 4.2 K, і яка свідчить про наявність поперечної складової намагніченості монокристала 2H-NbSe₂ в області полів , представлено на рис.4.



Рис. 4. Виміряні та розраховані залежності ф(H) при Т = 4.2 К, побудовані в напівлогарифмічному масштабі

Виміряна польова залежність ф(H) приводиться у порівнянні із залежністю розрахованою по формулі Когана, отриманою в рамках Лондонівської електродинаміки:

(3)

де г та е - параметри анізотропії,

- квант магнітного потоку,

з ~ 1.

Проведене зіставлення показало гарну згоду між виміряною та розрахованою залежностями в області обмеженого інтервалу низьких полів. Встановлено вплив температури на поле відхилення експерименту від теорії. Висунуто припущення, що це поле пов'язане із впливом взаємодії між вихорами на намагніченість. Воно може бути обчислено, з огляду на те, що ця взаємодія стає істотною коли параметр вихорової гратки a₀ стає рівним глибині проникнення: . Гарну згоду експерименту та теорії було використано для обчислення термодинамічних характеристик дослідженої сполуки. Розглянуто питання про визначення поперечної намагніченості в рамках традиційної Лондонівської електродинаміки. Згідно [14], у випадку одновісного анізотропного надпровідника (ізотропна ефективна маса замінюється тензором анізотропної маси) формула для має вигляд:

(4)

де , , ,

,

m₁ = m₂ - компоненти тензора мас уздовж кристалографічних осей у площині ab,

m₃ - компоненти тензора мас уздовж осі с.

У той же час розглянуте питання про обмеження застосовності Лондонівської електродинаміки. Зіставлення наших даних по обертаючому моменту з формулою (3) буде давати гарну згоду в інтервалі температур , тобто до T ? 2.5 K (у 2H-NbSe₂ = 7.2 K). Пов'язане з відсутністю обліку внеску енергії серцевини вихора в повну енергію гратки Абрикосова обмеження Лондонівської електродинаміки, в нашій ситуації може бути поліпшено обліком нелокальної добавки за методом [15]. Температурна залежність поля “включення” нелокальних ефектів може проходити через мінімум [15], що не суперечить нашим даним. Сполуці 2H-NbSe₂ відповідає залежність (- радіус нелокальності), отримана в [15] для матеріалів із циліндричною поверхнею Фермі. Точна оцінка H₀(T) у нашому випадку була ускладнена через відсутність надійних даних про довжину вільного пробігу l електронів в 2H-NbSe₂. Згідно даним про довжину вільного пробігу l в [16], 2H-NbSe₂ - ще більш чистий монокристал (), ніж передбачалося. Це збільшує можливий внесок ефектів нелокальності.

Отримано поперечну складову абсолютної намагніченості в магнітному полі, спрямованому під кутом 77є до осі анізотропії та проведено аналіз її залежності в оборотній області змішаного стану. На рис. 5 представлено польові залежності поперечної складової намагніченості в напівлогарифмічному масштабі, обчислені з експериментальних даних для різних температур.

Рис. 5. Польові залежності поперечної складової намагніченості в напівлогарифмічному масштабі, обчислені з експериментальних даних

На підставі отриманих даних, відповідно до формул (4) визначено глибину проникнення магнітного поля л та проведено її зіставлення з літературними даними. Отримане значення л було використане для оцінки ефективної маси електронів і подальшого зіставлення останньої з даними про циклотронну масу , отриманими при аналізі амплітуди осциляцій намагніченості з мінімальною частотою. Циклотронна маса при близька до малої компоненти тензора мас m₁ [14], а маса, отримана із глибини проникнення магнітного поля, перпендикулярного площини зразка (H¦c), близька по величині до більшої компоненти тензора мас m₃ [17]. Величини ефективних мас електронів, отримані із глибини проникнення магнітного поля та осциляцій намагніченості в полі спрямованому під кутом 77є до осі - с, відрізняються на порядок величини. Це відповідає відношенню компонентів тензора анізотропної маси досліджуваного монокристала, отриманому з магнітострикційних вимірювань. Зіставлення польових залежностей магнітострикції та намагніченості дозволило незалежним способом, використовуючи співвідношення [14] компонентів намагніченості уздовж головних кристалографічних осей, визначити відношення компонентів тензора анізотропної маси, або параметр анізотропії:

ВИСНОВКИ

Основні результати роботи можна сформулювати таким чином:

встановлено, що максимум польових залежностей необоротної магнітострикції відповідає області трансформації структури системи вихорів Абрикосова, що відбувається за сценарієм фазового переходу першого роду. Висунуто припущення про відповідність цього структурного переходу плавленню вихорової гратки;

зроблено оцінку похідної поля переходу по тиску кГс/кбар;

вперше показано, що показник ступеня n = 6.5 у законі подібності, що описує польові залежності необоротної магнітострикції та намагніченості , визначається польовими залежностями елементарної сили пінингу, кореляційного об'єму та термічними флуктуаціями в області верхнього критичного поля;

вперше виявлено осциляції магнітострикції у змішаному стані надпровідності 2H-NbSe₂;

проведено розрахунок похідної екстремального перетину поверхні Фермі 2H-NbSe₂ по деформації, що показав, що її величина на порядок вище, ніж в інших металах. Більша чутливість поверхні Фермі до деформацій є причиною посилення осциляцій магнітострикції у порівнянні з осциляціями намагніченості;

проведено вимірювання обертаючого моменту монокристала 2H-NbSe₂ , що в обмеженому інтервалі проміжних полів добре описується формулою Когана, отриманою на основі Лондонівської електродинаміки;

проведено аналіз залежності поперечної складової абсолютної намагніченості від магнітного поля в оборотній області змішаного стану. На підставі отриманих даних визначено глибину проникнення магнітного поля та параметри анізотропії дослідженого зразка;

проведено оцінку поля “включення” взаємодії між вихорами.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Bruk V.V., Eremenko V.V., Makedonska N.I., Shabakayeva Yu.A., Sirenko V.A. Investigation of magnetic flux gradients in hard superconductors // ФНТ. - 2001. - Т. 27, №4. - С. 419-424.

Eremenko V.V., Sirenko V.A., Shabakayeva Yu.A., Schleser R., Gammel P.L. Magnetization and magnetostriction oscillations in superconducting 2H-NbSe₂ single crystal // ФНТ. - 2001. - Т. 27, № 9/10. - С. 952-955.

Eremenko V.V., Sirenko V.A., Shabakayeva Yu.A., Schleser R., Gammel P.L. Irreversible magnetostriction and magnetization of superconducting 2H-NbSe₂ single crystals in a peak-effect regime // ФНТ. - 2002. - Т. 28, №1. - С. 10-15.

Sirenko V.A., Shabakayeva Yu.A., Makedonska N.I., Schleser R. On the transverse magnetization in anisotropic superconductor 2H-NbSe₂ // ФНТ. - 2002. - Т.28, №7. - С. 796-802.

Eremenko V.V., Sirenko V.A., Shabakayeva Yu.A. Quantum oscillations and peak effect of magnetostriction in superconductor // Magnetoelastic interaction phenomena in crystals. -Netherlands: Kluwer Academic Publishers. - 2004. - P. 313-334.

Eremenko V.V., Shabakayeva Yu.A., Sirenko V.A., Bruk V.V. Investigation of magnetic flux gradients in hard superconductors // Proc. 12-th General Conf. of the European Physical Society “Trends in Physics”. - Budapest (Hungary). - 2002. - P. 244.

Єременко В.В., Сіренко В.А., Шабакаєва Ю.А., Македонська Н.И., Шлесер Р. Необоротні магнітострикція та намагніченість монокристалів діселениду ніобія 2H-NbSe₂ в області пік-ефекту // Труди всеукраїнської конф. cтудентів і молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “ЕВРІКА”. - Львів (Україна). - 2003. - C.51.

Єременко В.В., Сіренко В.А., Шабакаєва Ю.А. Магнітострикція надпровідного діселениду ніобія 2H-NbSe₂ в змішаному стані // Труди всеукраїнської конф. молодих вчених та науковців “Сучасні питання матеріалознавства”. - Харків (Україна). - 2003. - C.13.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

Шёнберг Д. Магнитные осцилляции в металлах. - М.: Мир, 1986. - 678 c.

Crist P., Biberacher W., Muller H., Andres K. Magnetization measurement on б - (BEDT-TTF)₂KHg(SCM)₄ [Where BEDT-TTF is BIS(ETHYLENEDITHIO)TETRATHIA FULVALENE] // Sol. St. Comm. - 1994. - Vol.91, №6. - P. 451-455.

Grissen R.A. A capacitance torquemeter for de Haas-van Alphen measurements // Cryogenics. - 1973. - №.6. - P. 375-377.

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

Nelson D.R., Sebastian Seung H. Theory of melted flux liquids // Phys. Rev. B. - 1989. -Vol. 39, №.13. - P. 9153-9174.

Rettenberger S., Steep E., Meyer F., Jansen A.G.M., Joss W., Wyder P., Biberacher W., Bucher E.,Oglesby C.S. Torque measurements on NbSe₂ // Physica B. - 1995. - Vol. 211, №1-4. -P. 244-247.

Tremolet de Lacheisserie, Etienne du. Magnetostriction: Theory and Applications of Magnetoelasticity, - Boca Raton, FL: CRC Press, 1993. -408 p.

Lifshitz I.M., Kosevich A.M. About oscillations of thermodynamic quantities for degenerated Fermi-gas at low temperatures // Изв. АН СССР. - 1955. - T.XIX. - C.395-403.

Chandrasekhar B.S., Fawcett E. Magnetostriction in metals // Adv. Phys. - 1971. - Vol. 20, №.88 - P. 775-794.

Kogan V. G. Uniaxial superconducting particle in intermediate magnetic field // Phys. Rev. B. - 1988. - Vol. 38, №10. - P. 7049-7050.

Farrell D. E., Bonham S., Foster J., Chang Y. C., Jiang P. Z., Vandervoort K. G., Lam D. J., Kogan V. G. Giant superconducting anisotropy in Bi2Sr₂CaCu₂O_{8+ delta} // Phys. Rev. Lett. -1989. - Vol. 63, №7. - P. 782-785.

Waldmann O., Steinmeyer F., Muller P., Neumeier J.J., Regi F.X., Savary H., Schneck J. Temperature and doping dependence of the penetration depth in Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊ // Phys. Rev. B. - 1996. - Vol.53, №17. - P. 11825-11830.

Hao Z., Clem J.R. Reversible magnetization and torque in anisotropic high- type-II superconductors // Phys. Rev. B. - 1991. - Vol.43, №10. - P. 7622-7630.

Kogan V.G., Fang M.M., Mitra S. Reversible magnetization of high-T_c materials in intermediate magnetic fields // Phys Rev B. - 1988. - Vol.38, №16. - P. 11958-11961.

Kogan V.G., Gurevich A., Cho J.H., Johnston D.C., Ming Xu, Thompson J.R., Martynovich A. Nonlocal electrodynamics and low-temperature magnetization of clean high- superconductors // Phys. Rev. B. - 1996. - Vol.54, №17. - P. 12386-12396.

Corcoran R., Meeson P., Onuki Y., Probst P.A., Sprigford M., Takita K., Harima H., Guo G.Y. Quantum oscillations in the mixed state of the type II superconductor 2H-NbSe₂ // Journal of Physics: Condensed Matter. - 1994. - Vol.6, №. - P. 4479-4492.

Булаевский Л. Н. Сверхпроводимость и электронные свойства слоистых соединений // УФН. - 1975. - T. 116, вып.3. - C. 449-483.

Размещено на Allbest.ru

...