Особенности намагничивания сверхпроводящих пластин и пленок в поперечном поле

• Автор: Кузнецов, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ
Важным достижением физики сверхпроводимости является создание различных сверхпроводниковых устройств, например, детекторов, смесителей, высокочувствительных болометров, логических элементов сверхпроводни-ковой электроники, СКВИДов,1 служащих основой многочисленных измерительных устройств. Открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) сместило диапазон рабочих температур таких устройств от гелиевых (Т ~ 4.2 К) к азотным (Т ~ 77.4 К) температурам и сделало реальной перспективу их широкого практического использования. Поэтому изучение факторов, влияющих на работу сверхпроводниковых устройств, представляется весьма актуальным.
При разработке и использовании сверхпроводниковых устройств необходимо прогнозировать стабильность их работы в различных условиях. С этой точки зрения важно изучить отклик сверхпроводника на изменение внешнего магнитного поля а также шумы и потери, отражающие диссипативные процессы, происходящие в переменных полях и на переменном токе.
Одним из фундаментальных свойств сверхпроводящего состояния является эффект Мейсснера, проявляющийся в выталкивании слабого магнитного поля из сверхпроводника. По реакции на поле большой величины сверхпроводники делятся на два класса. В сверхпроводниках первого рода мейс-снеровское состояние разрушается вместе со сверхпроводимостью. В сверхпроводниках второго рода подавление сверхпроводимости происходит постепенно в диапазоне от нижнего, ЯсЬ до верхнего, Нс2, критического полей. В этом диапазоне полей сверхпроводник находится в смешанном состоянии, он пронизан вихрями, каждый из которых несет один квант магнитного потока фо = 1г/2е = 2.07 • 10~15 Вб, где h и е — постоянная Планка и заряд электрона. Движение вихрей вызывает диссипацию энергии и возникновение различных шумов.
Если сверхпроводник имеет дефекты, вихри закрепляются (пиннигуются) на них, т.к. их собственная энергия при этом уменьшается. Это закрепление (пиннинг) является фундаментом основной эксплуатационной характеристики сверхпроводника — бездиссипативного транспортного тока. В присутствии пиннига смешанное состояние становится термодинамически неравновесным и называется критическим состоянием. Описание критического
1 СКВИД — русский аналог аббревиатуры SQUID (superconductive quantum interferometer device), т.е. сверхпроводящий квантовый интерферометр.

состояния представляет одну из важнейших фундаментальных и практических задач физики сверхпроводников.
Открытие высокотемпературной сверхпроводимости стимулировало углубленную разработку проблем равновесной и неравновесной термодинамики вихревых состояний, в последние годы достигнут большой прогресс в данной области [1,2].
Основой большинства сверхпроводниковых электронных устройств служат тонкие пленки, поэтому на их работу могут оказывать влияние особенности магнитного поведения сверхпроводящей пленки, связанные с сильным размагничиванием, наличием краевых эффектов и краевого барьера, сдерживающего формирование критического состояния. Данные особенности, являющиеся общими для пленок и пластин, по-разному проявляются в экспериментах, в зависимости от типа сверхпроводника и типа образца. Теоретические модели, рассматривающие специфику процесса намагничивания тонкого плоского сверхпроводника, пока не охватывают всего разнообразия наблюдающихся эффектов, но основные процессы, протекающие в образцах со слабым и сильным пиннингом, а также распределение полей и токов внутри и вокруг образца были недавно описаны в рамках модели критического состояния и модели геометрического барьера. Однако к моменту начала работы над диссертацией корректное теоретическое описание процесса намагничивания пластин и пленок отсутствовало.
Целью диссертационной работы являлось изучение особенностей намагничивания сверхпроводящих пластин и пленок (включая ВТСП пленки) в поперечном поле, в частности, процесса формирования критического, смешанного и промежуточного состояния в образцах и влияния краевых эффектов на данный процесс.
Диссертация состоит из шести глав, заключения и двух приложений.
В первой главе дан анализ процесса проникновения магнитного потока в плоский сверхпроводник. Рассмотрена теоретическая модель критического состояния, дано описание основных эффектов, возникающих в образцах со слабым пиннингом, отмечены проблемы, требующие дополнительных исследований.
Во второй главе описаны использованные экспериментальные методы, основное внимание уделено вопросам, связанным со спецификой измерения образцов с большим размагничивающим фактором и требованиям к аппаратуре, предъявляемым такими измерениями.
В третьей главе приведены результаты исследования полевых и темпе-

ратурных зависимостей магнитного момента пленок высокотемпературных сверхпроводников. Анализ их магнитного поведения проведен в рамках модели критического состояния сверхпроводящей плоскости.
В четвертой главе изучено намагничивание пластин и пленок из сверхпроводника первого рода со слабым пиннингом. Рассмотрены возникающие краевые эффекты, рассчитана величина поля, в котором начинается разрушение мейсснеровского состояния.
В пятой главе рассмотрены краевые эффекты, возникающие в пластине из анизотропного сверхпроводника с пиннингом. Рассчитано поле, в котором мейсснеровское состояние становится метастабильным, а также поле, в котором начинается проникновения магнитного потока в пластину.
Шестая глава содержит анализ влияния краевых эффектов на формирование критического состояния в тонкой сверхпроводящей пленке. С учетом поправок, вносимых краевыми эффектами, в рамках модели критического состояния рассчитана намагниченность пленки.
В Заключении обобщена картина намагничивания сверхпроводящих пластин и пленок в слабом поперечном поле и приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Приложение «А» содержит решение уравнения Лапласа для сверхпроводящего сфероида, а промежуточные вычисления намагниченности пленок вынесены в приложение «В».
При описании эффектов, наблюдающихся при намагничивании сверхпроводящих пластин и пленок, используется большое число параметров, поэтому в конце диссертации перед ее оглавлением приведен список основных обозначений.
Положения, выносимые на защиту.
• Результаты экспериментального исследования температурных и полевых зависимостей магнитного момента эпитаксиальных пленок высокотемпературных сверхпроводников Ш1,85Сеол5Си04--£ и УВа2СизС>7_£. Проверка применимости модели критического состояния сверхпроводящей плоскости для описания их магнитного поведения.
• Результаты экспериментального и теоретического исследования разрушения мейсснеровского состояния в сверхпроводящих пластинах и пленках. Расчет поля, в котором данное состояние становится метастабильным.

Рис. 8: Принципиальная схема измерительной цепи магнитометра. L и Li измерительные катушки, L3 компенсирующая катушка, L сигнальная катушка, L5 катушка обратной связи, Ь§ и С катушка и емкость резонансного контура, R сопротивление шунта, Rj и Rj сопротивления обратной связи, U^f напряжение обратной связи, 7rf ток накачки.
ным значением которого является величина фтах щ 500^>о [Ш]7 Опыт работы показывает к тому же, что при измеряемых сигналах ф > 1ОО0о обратная связь становится неустойчивой, и магнитный момент измеряется с большой погрешностью. Обычно, большие сигналы регистрируются без обратной связи в режиме счета квантов магнитного потока, проходящих через СКВИД. Однако, такой режим счета не предусмотрен в использованном нами блоке регистрации СКВИДа [116].
Для расширения динамического диапазона магнитометра была использована комбинированная обратная связь.8 Идея данной схемы измерений состоит в том, чтобы компенсировать основную часть потока непосредственно в трансформаторе до попадания его в СКВИД. Для этого в трансформатор потока была добавлена компенсирующая катушка (4), индуктивно связанная с катушкой (5), включенной в цепь обратной связи (см. рис. 7 и 8, нумерация в тексте соответствует рис. 7). Изменение внешнего потока вызывает изменение тока обратной связи как в катушке резонансного контура (13), так и в катушке обратной связи. В катушке резонансного контура помимо постоянного тока обратной связи протекает высокочастотный ток «накачки» СКВИДа, который в компенсационной катушке должен быть тщательно отфильтрован.
Для включения компенсационной катушки в обратную связь, внутри капилляра коаксиала высокочастотного тракта (16) была проложена витая пара проводов (17), подключенная к цепи обратной связи через дроссели (на рисунках не показаны). Все цепи трансформатора потока должны быть тща-
7 Максимальная величина измеряемого сигнала обратно пропорциональна сопротивлению обратной связи, уменьшить которое можно только до определенного предела, вызванного тем, что с его уменьшением возрастают шумы, вызывающие неустойчивость обратной связи.
8 В. Н. Трофимов, А. В Кузнецов не опубликовано.