Экспериментальное исследование особенностей поведения вихрей в сверхпроводящих материалах с пиннингом на границах нормальной и сверхпроводящей фазы

• Автор: Вяткин, Владимир Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 81 с. : ил.

Предисловие и цель исследования

Глава 1. Литературный обзор и постановка экспериментальных задач

1.1. Электродинамика сверхпроводящих материалов. Жестко закрепленная вихревая решетка

1.2. Барьер Бина-Ливингстона. Границы между нормальной и сверхпроводящей

фазой как центры пиннинга

1.3. Слоистые и гранулированные сверхпроводники

1.4. Традиционные низкотемпературные сверхпроводники. Провода с ИЦП

1.5. Нанокомпозиты из сверхпроводящих материалов

1.6. Аморфное состояние, как основа для получения большой плотности центров

пиннинга

1.7. Применения сверхпроводимости в импульсной энергетике

1.8. Постановка задач
Глава 2. Образцы и методики экспериментов
2.1. Выбор образцов исследования
2.1.1. МУЛ волокнистый образец с ИЦП
2.1.2. Слоистые (пластинчатые) сверхпроводящие образцы
2.1.3. Неравновесные нанокомпозиты Си+№>, Си+ИЬ+Бп и Си+14Ь+Л
2.2. Основные методики экспериментов
2.2.1. Методика измерения перпендикулярной составляющей магнитного поля в
сверхпроводниках с вытянутыми центрами пиннинга
2.2.2. Методика измерения скорости входа и выхода магнитного потока в
слоистые сверхпроводники В12212 и №>Л
2.2.3. Измерение намагниченности с помощью датчиков Холла в
квазистационарном магнитном поле
2.3. Дополнительные методики экспериментов, которые использовались при
исследовании нанокомпозитов

2.3.1. Определение Тс с помощью измерения температурной зависимости дифференциальной магнитной восприимчивости
2.3.2. Рентгеноструктурный метод исследования
2.3.3. Трансмиссионная электронная микроскопия для исследования структуры и поверхности материала
Глава 3. Результаты экспериментов и обсуждения
3.1. Подстройка магнитного потока
3.2. Особенности динамики магнитного потока в слоистых (пластинчатых) сверхпроводниках
3.2.1. Обратимая кривая намагничивания слоистых сверхпроводников
3.2.2. Динамика магнитного потока (вход - выход вихрей) в слоистых сверхпроводниках (модель)
3.2.3. Динамика магнитного потока (вход - выход вихрей) в слоистых сверхпроводниках (эксперимент)
3.3. Нанокомпозитные неравновесные сверхпроводящие материалы, полученные из аморфного состояния
3.3.1. Динамика структуры нанокомпозитов в процессе отжига
3.3.2. Токонесущие свойства нанокомпозитов и жестко закрепленная вихревая решетка
3.3.3. Применение сверхпроводящих нанокомпозитов для получения мощных токовых импульсов
Выводы
Заключение
Список литературы
Предисловие и цель исследования.
Одной из центральных проблем физики сверхпроводников II рода является проблема пиннинга и динамики магнитного потока, которая определяет возможность применения и работоспособность сверхпроводящих устройств. Развитие сильноточных сверхпроводников шло по пути уменьшения размеров пиннинговой структуры и создания эффективных центров пиннинга. В качестве основного метода уменьшения пиннинговой структуры применялась механическая деформация. Наибольший успех был достигнут при использовании включений из несверхпроводящего материала в качестве центров пиннинга, так называемые искусственные центры пиннинга (ИЦП), размер которых достигал ~50-100 нм.
Центрами пиннинга в сверхпроводниках с ИЦП являются границы сверхпроводника и несверхпроводящего материала (п/б границы). При этом сверхпроводящий материал является сильно анизотропным, центры пиннинга вытянуты вдоль провода (линейная пиннинговая структура). Как правило, сильноточные высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) являются также анизотропными. Центрами пиннинга могут быть плоскости двойникования, включения других фаз, а также межгранульные границы, сверхпроводимость в которых подавлена.
Границы нормальной и сверхпроводящей фазы в сверхпроводящем материале могут не только определять пиннинг магнитного потока и критический ток, но и влиять на динамику магнитного потока, например, препятствуя движению вихря в определенных направлениях. Таким образом, является актуальным исследование пиннинга и динамики магнитного потока в сверхпроводниках с пиннингом на п/э границах.
Пиннинг на п/б границах связан с барьером Бина-Ливингстона, препятствующим входу вихрей в сверхпроводящие области. Особенностью барьера Бина-Ливингстона является его асимметричное действие, которое может приводить к тому, что вход и выход вихрей будет происходить в разных точках сверхпроводника. Исследование этой особенности барьера Бина-Ливингстона важно для понимания динамики магнитного потока внутри анизотропных сверхпроводников, особенно в сверхпроводниках с ИЦП.
Максимальный критический ток может быть реализован, когда, очевидно, все вихри Абрикосова внутри сверхпроводника закреплены, при этом вихревая решетка не будет перемещаться под действием силы Лоренца в большом диапазоне магнитных полей и токов, т.е. в так называемой жестко закрепленной вихревой решетке [8]. Взаимодействие вихревой решетки с системой центров пиннинга всегда проявляется в подстройке магнитного потока к пиннинговой структуре, которая выражается смещением вихрей (или их участков) с позиций, которые они занимали в треугольной вихревой решетке. В анизотропных сверхпроводниках подстройка может выражаться изменением направления магнитного потока внутри сверхпроводника. Изучение этой подстройки в таких анизотропных сверхпроводниках позволит, например, определить масштаб пиннинговой структуры и условия жесткого закрепления вихревой решетки.
Остается актуальным и вопрос о возможности жесткого закрепления вихревой решетки равноосными несверхпроводящими включениями нанометрового масштаба. Положительный ответ может открыть новые возможности совершенствования технологии для создания сильноточных сверхпроводящих материалов, поскольку это может снять требования большой степени деформации (вытяжки) проводов для достижения высокой токонесущей способности.
Таким образом, исследования в области сверхпроводящих нанокомпозитов актуальны для физики и технологии современных сильноточных сверхпроводников, а также для новых применений сильноточной сверхпроводимости, например в устройствах импульсной энергетики.

Отличие входа и выхода магнитного потока состоит в том, что вход магнитного потока осуществляется преимущественно через торцы слоев сверхпроводника, а выход — через плоскости.
Такое поведение магнитного потока наблюдается также на образце NbTi/Nb. Для слоистого NbTi/Nb образца время проникновения магнитного потока внутрь него, наоборот, меньше времени выхода, что видно из рис. 48. Это связано с тем, что вход магнитного потока осуществляется через торцы NbTi слоев, а выход происходит через чистый ниобий. В больших магнитных полях (>1,5 Тл) сопротивление pjjow NbTi больше, чем сопротивление чистого ниобия, который находится между слоями NbTi. На рис. 54 показана зависимость удельного сопротивления при входе и при выходе магнитного потока для NbTi/Nb композита, вычисленная по формуле (18) из данных о времени релаксации магнитного момента при входе и выходе магнитного потока, показанных на рис. 53. Видно, что сопротивление композита при входе магнитного потока в зависимости от поля растет так же, как и pjjow NbTi, а сопротивление при выходе магнитного потока не зависит от внешнего магнитного поля (опорного поля). Т.е. динамика магнитного потока происходит согласно предложенной модели. В слоистом NbTi/Nb образце наблюдается парадоксальная ситуация. Магнитный поток, при уменьшении внешнего поля выходит из сверхпроводящей пластины и вынужден медленно диффундировать по хорошо проводящему металлу Nb {риь ~2 pQcm), вместо того, чтобы зайти в NbTi и выйти быстрее, т.к. в больших магнитных полях (>2 Тл) электрическое сопротивление pfow NbTi больше, чем электрическое сопротивление Nb в нормальном состоянии. Барьер Бина-Ливингстона не дает вернуться магнитному потоку внутрь сверхпроводника.
р^=р,-4~ о?)

‘о ~Mo'L I Pflow 08)
Для проверки чистоты эксперимента проводились измерения скорости входа и выхода магнитного потока на тех же слоистых образцах, но ориентированных перпендикулярно внешнему магнитному полю. На рис. 49 и 50 показаны кривые для входа и выхода магнитного потока в слоистые образцы Bi2212 и NbTi/Nb, плоскости которых располагались перпендикулярно магнитному полю. Скорости входа и выхода магнитного потока, в этом случае, равны.
Образец NbTi/Nb имел достаточно гладкие поверхности раздела нормальной и сверхпроводящей фазы, и это позволило получить зависимость электрического сопротивления для входа и выхода магнитного потока, близкую к ожидаемым зависимостям pfow тп(В) для входа магнитного потока и рт для выхода магнитного потока (рис. 54). Для образца висмутовой керамики не наблюдается такой идеальной зависимости электрического сопротивления для входа и выхода магнитного потока (рис. 52). Это может быть связано, как с поверхностными неоднородностями сверхпроводящих пластин, так и с особенностями вихревой структуры ВТСП (например, пин-кэйки, то, что вихри джозефсоновские, а не абрикосовские (рис. 19)), а также, свою роль могут играть эффекты близости между слоями Bi2212. Таким образом, пластинчатые образцы NbTi/Nb и ВТСП керамики Bi2212 позволили наблюдать все особенности динамики магнитного потока, связанные с подавлением барьера Бина-Ливингстона на краю сверхпроводящих пластин, толщиной порядка X.