CC BY
8
; УДК 537.362
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСЦИЛЛЯЦИЙ ДЕ ГААЗА - ВАН АЛЬФЕНА В ВТСП УВаСиО
А. И. Быков1, А. И. Головашкгш, М. И. Долотенко1, О. М. Иваненко, И. П. Колокольчиков1, 10. В. Кудасов1, К. В. Мицен, В. В. Платонов1, О. М. Таценко1
Выполнены низкотемпературные (4,2 К) измерения ос-цилляций намагниченности ориентированных поликристаллических образцов ВТСП УВа2Си^От-е при изменении магнитного поля до 300 Тл. Магнитные поля создавались с помощью магнитокумулятивного генератора МК-1 методом сжатия магнитного потока цилиндрической детонационной волной. Фурье-анализ сигналов намагниченности в полях В > В& показал наличие ос-цилляций с частотами 3,8, 10, 13 и 20 'кТл.
Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению свойств ВТСП, вопрос о природе нормального состояния в этом классе соединений остается до сих пор открытым. Некоторые предположения о существовании поверхности Ферми в ВТСП были сделаны на основе анализа результатов экспериментов по позитронной аннигиляции и фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением [1], однако трудности с интерпретацией этих данных не позволили сделать однозначных выводов. Измерение эффекта де Гааза - ван Альфена (дГвА) дает прямую информацию о поверхности Ферми и может пролить свет на природу нормального состояния ВТСП. Этот эффект проявляется в периодических по обратному магнитному полю осцилляциях магнитной восприимчивости и является следствием квантования электронных состояний в магнитном поле. Частота осцилляций магнитной восприимчивости Г пропорциональна площади экстремального сечения поверхности Ферми перпендикулярного к направлению поля:
1НИИ экспериментальной физики, 607200 Арзамас-16, Россия.
Г = ПсАех1/2те.
Оценка возможности экспериментального наблюдения осцилляции магнитной восприимчивости приводит к довольно жестким требованиям, предъявляемым к условиям эксперимента. Во-первых, для наблюдения эфекта необходимо, чтобы электрон в металле совершал циклическое движение, что возможно лишь в том случае, когда длина свободного пробега / превосходит размер циклотронной орбиты в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Т.е. величина, квантующего поля ограничена, снизу значением Я/, зависящим от /, при котором характерный размер орбиты сравним с длиной свободного пробега. Если принять для ВТСП / = 10 им, то величины требуемых полей должны составлять более 50 Т л (в зависимости от принятой эффективной массы т). Кроме того, температуры должны быть достаточно низкими для соблюдения условия кТ « ¡¡сис, где ис - циклотронная частота и>с — еН/тс, т.е. условия малости температурного уширения уровней Ландау по сравнению с расстоянием между уровнями. Низкие температуры нужны также для того, чтобы длина свободного пробега относительно рассеяния на фонопах была достаточно большой, сравнимой с размером циклотронной орбиты. Обычно измерения эффекта дГвА проводятся в нормальном состоянии, когда поле полностью проникает в образец и одно из основных требований однородность магнитного поля по объему образца.. В ВТСП выполнение этих условий связано с большими трудностями, т.к. для перевода ВТСП в нормальное состояние при низких температурах нужны поля, превышающие 100 Тл.
Однако наблюдать эффект дГвА можно и в сверхпроводящем состоянии [2] несмотря на то, что магнитное поле проникает в сверхпроводник крайне неоднородно из-за вихревой структуры. Возможность наблюдения осцнлляций дГвА в сверхпроводящем состоянии связана с тем, что этот эффект является чисто квантовым по природе, аналогично эффекту Аронова - Бома. Распределение магнитного потока внутри орбиты не имеет значения, поскольку квантование фазового интеграла не зависит от распределения магнитного потока внутри контура интегрирования и определяется только интегральным потоком через циклотронные орбиты (2е/Н) $ АсЫ = 2ттп.
Таким образом, при полях меньших верхнего критического поля (в сверхпроводящем состоянии) это условие означает, что число абрикосовских вихрей через каждую циклотронную орбиту должно быть с высокой точностью постоянным. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы циклотронную орбиту пронизывало достаточно
большое число квантов. Оценка размера циклотронной орбиты для VВа2Си^Оч-б в перпендикулярном поле 50 Тл дает величину ~ 100 нм. Это соответствует ~ 10 квантам потока в пределах орбиты, что явно недостаточно для того, чтобы говорить о постоянстве потока. Этим фактором можно объяснить неустойчивый характер осцнлляцнй в экспериментах [3], выполненных па образцах УВаСиО в полях до 50 Тл. В работе [4] измерения эффекта дГвА проводились в полях до 100 Тл, однако никакой информации о состоянии образца (нормальном или сверхпроводящем) не имеется. Мы считаем, что для уверенной интерпретации экспериментальных результатов необходимо, чтобы образец находился в нормальном состоянии, т.е. для наблюдения эффекта дГвА в полях перпендикулярных слоям необходимы поля выше 100 Тл.
В настоящее время в лабораторной практике удается получать постоянные магнитные поля до 25 - 30 Тл с помощью гибридного магнита, а также импульсные поля до 70 - 80 Тл разрядом конденсатора через специально сконструированные катушки. Единственный метод получения полей выше 100 Тл, необходимых для исследования эффекта дГвА в ВТСП, является сжатие магнитного потока детонационной волной. Для получения магнитных полей до 300 Тл нами был использован магннтокумуля-тивпый генератор МК-1. Магнитное поле в МК-1 создается разрядом конденсаторной батареи и дальнейшим сжатием магнитного потока детонационной волной. Время нарастания импульса поля ~ 20 мкеек. Ранее [-5] на этом же генераторе нами были измерены значения верхнего критического поля ВС2(Т) для УВаСиО. Было найдено, что Вс2{4,2 К) « 160 Тл.
Измерения в таких высоких импульсных полях накладывают определенные ограничения на исследуемые образцы [4]. Монокристаллы У'ВаСиО размером порядка 10 мкм погружались в жидкую эпоксидную смолу и смесь медленно полимеризовалась в течение 8-12 часов в постоянном магнитном поле в Тл. В результате получались образцы ((I = 1 мм длиной 4,5 иг.и) с ориентацией оси "с" вдоль поля с точностью порядка 2°, содержащие около 17% объема сверхпроводящих монокристаллов, что ниже порога перколяции, который составляет 31%. Таким образом, магнитное поле легко проникает между гранулами за время импульса. Для данных измерений образец был любезно предоставлен нам проф. Мюллером из Лос-Аламосской Национальной Лаборатории.
Измерительный узел для регистрации эффекта дГвА представлял собой две пары намотанных навстречу друг другу катушек, сбалансированных с высокой точностью по емкости и индуктивности в широком диапазоне частот. Катушки наматывались непосредственно на образец УВаСиО или на стеклянные цилиндры. Диаметр катушек
Рис. 1. Временная зависимость магнитного поля в генераторе МК-1 в процессе сжатия магнитного потока взрывной волной. Цифрами 1 и 2 отмечены интервалы с минимальным уровнем шумов.
1 лиг, число витков 30, намотка осуществлялась проводом ПЭТВ-2 диаметром 70 мкм. Пары катушек стекло-стекло и стекло-У ВаСиО располагались на стеклотекстолитовом держателе симметрично относительно оси генератора сверхвысокого магнитного поля. Узел стекло-стекло использовался для записи шумового сигнала. Охлаждение измерительного узла осуществлялось жидким гелием. Магнитное поле измерялось зондами. На рис. 1 показана экспериментальная зависимость магнитного поля, усиленного сжатием взрывной цилиндрической волной, от времени.
Для анализа дГвА сигнала были выделены два временных интервала 94,0 - 94,7 мксек и 96,8 - 98,2 мксск, соответствующие интервалам полей 50 - 85 Тл (В < В&) и 140 - 230 Тл (В > Вс2). Выбранные интервалы характеризовались наименьшей величиной шума.. (Шумы имели характерную частоту 5 - 7 МГц и наблюдались на осциллограммах, полученных как от измерительных узлов, так и от зондов магнитного поля. Возможная причина этого шума - взрыв оболочки металлодиэлектрического каскада.) На рис. 2 представлены осциллограммы сигнала дГвА от нары У ВаСиО и стекло (а) и шумовой сигнал от пары стекло - стекло (б) для интервала 140 - 230 Тл. Для выбранных временных интервалов был проведен Фурье-анализ сигналов. На интервале 50 - 85 Тл отчетливых пиков эффекта дГвА, превышающих уровень шума, не наблюдалось. Спектр па участке, соответствующем полям 140 - 230 Тл, представлен на рис. 3. Здесь приведены спектральные плотности как сигнала, так и шума.
Время, мке Частота, дГпА, «ал
Рис. 2. Осциллограммы сигналов в интервале 96,8 — 98,2 мкеек (140 - 230 Тл): а) сигнала намагниченности с измерительной пары УВаСиО-стекло; б) шумового сигнала с пары стекло-стекло.
Рис. 3. Спектральные плотности сигнала намагниченности и шума, полученные Фурье-преобразованием сигнала, показанного на рис. 2.
В спектре сигнала можно выделить четыре пика, соответствующие частотам 3,8, 10, 13 и 20 к Тл. Пик при 6 кТл совпадает с максимумом шумового сигнала. Пик при 3,8 кТл соответствует расчетной частоте 3,7 к Тл и экспериментально наблюдался в . [4]. Появление частотного максимума при 10 к Тл также следует из теоретических расчетов. Эта частота соответствует экстремальному сечению типа "бочка" и ранее экспериментально не наблюдалась. Амплитуды пиков при 13 и 20 к Тл лишь незначительно превосходят шумовую. Для однозначного заключения об их природе требуется проведение дополнительных измерений.
Работа выполнена при поддержке Научного Совета по ВТСП (проект N 92079) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант N 94-02-05307).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Olson С. G., L и i R., L у 11 с h D. W., et al., Phys. Rev., B42, 381 (1990).
[2] Graebner J. E. and Rob bins M., Phys. Rev. Lett., 36, 422 (1976).
[3] Ii a a n a p p e 1 E. G., Joss W., V a g n e r I. D., et al.,, Physica C, 209, 39 (1993).
[4] Fowlc r M. C., Freeman B. L., H u 1 t s W. L., et al., Phys. Rev. Lett., 68, 3937 (1992).
[5] G о 1 о v a s h k i n A. I., Ivanenko О. M., К и cl a s о v Yn. В., et al., Physica B, 177, 105 (1992).
Поступила в редакцию 2 декабря 1994 г.
