CC BY
63
УДК 621.315.51:531.312.62
ПРОНИКНОВЕНИЕ ВИХРЕЙ ДЖОЗЕФСОНА И АБРИКОСОВА В МЕТАЛЛООКСИД У-Ва-Си-О, ЛЕГИРОВАННЫЙ СЕРЕБРОМ
И.М. Шушлебин, В.Е. Милошенко, О.В. Калядин
Исследовано влияние серебра на процесс проникновения флаксонов в высокотемпературный сверхпроводник. Экспериментально обнаружено гипотетическое (Е.В. Блинов, Э.Б. Сонин, А.К. Таганцев и др., 1991 г.) взаимодействие «вихрь - флаксон». Показано, для его возникновения недостаточно только «массивности» вихря, необходимым является действие поверхностного барьера
Ключевые слова: высокотемпературный сверхпроводник, магнитный поток, вихри
Особенности отклика высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) на внешние постоянные и переменные магнитные поля среди прочего определяются набором значений критических полей такого сверхпроводника [1-3]: поле начала проникновения
в слабые связи В ^ и поле наполнения (до полутол-щины ВТСП) джозефсоновской среды В С2; крити-
Т-) & -ту &
ческие поля В С1 и В С2 - начала и завершения движения вихрей Джозефсона (флаксонов); первое критическое поле В с1 зарождения вихрей Абрикосова
(вихрей). Общая же картина проникновения в ВТСП магнитного потока во многих своих деталях неясна
- например [4,5]. В этой связи остается актуальной проблема изучения проникновения магнитного поля, в том числе экспериментальное доказательство существования взаимодействия между различными видами вихрей, предсказываемого в [6].
Методика эксперимента. Исследования проводились индуктивными методами рис.1. Магнитный поток в сверхпроводнике Б в зависимости от внешнего (включаемого) магнитного поля В измерялся с помощью электронного микровеберметра. При воздействии на сверхпроводник переменного
поля В(!) = В 0 определяли величину ампли-
туды отклика в измерительной катушке ио (В 0). В суперпозиции постоянного В е и переменного В(!) полей (В е || В(1); В е >>В(1), :Г=600 Ш) находили
полевые зависимости ио (В ), а также сигналы с
синхродетектора, характеризующие действительную и мнимую части отклика и и и .
Принципиальная схема установки: У1 - предварительный дифференциальный усилитель; СВ -
Шушлебин Игорь Михайлович - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, тел. 8-920-4б8-38-б8
Милошенко Владимир Евдокимович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, E-mail: miloshenko@mail Калядин Олег Витальевич - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, ст. преподаватель, тел. 8-908-l 3б-35-2б
селективный вольтметр В6-9; ПФ - полосовой-фильтр; У2 - конечный усилитель; В - вольтметр В7-21А; А - амперметр; Г - генератор; Ф - фазовращатель; ОСЦ - осциллограф двухлучевой; СД -синхродетектор; Ч - частотомер; СИП - стабилизированный источник питания; МКВ - микровольтметр В3-57; 1 - держатель; 2 - кожух; 3 - криостат; 4 - несущая трубка; 5 - капка; 6 - образец; 7 - измерительная катушка, 8 - внутренний соленоид, 9 -
внешний соленоид.
ч
ЖЕ 3(E)
Рис. 1
Чувствительным элементом служит катушка (К до 500 витков медного провода диаметром 0.07 мм), плотно намотанная на образец с типичными
размерами (20 х 3 х 3 мм ). Сигнал с чувствительного элемента поступает на вход измерительного модуля (усилитель с регулируемым коэффициентом
усиления в пределах 103-105). Усилитель разработан (1991г.) и модернизирован (2004г.) в Воронежском НИИ связи.
Он способен выделить низкочастотный (102103 Гц) сигнал на уровне 10-7 В. Модуль включает в себя предварительный дифференциальный усилитель, полосовой фильтр, конечный усилитель и фазовращатель. В приборе установлен синхродетектор, позднее замененный (2004г.) на измеритель сдвига фронтов волн во времени. После предварительного усилителя сигнал измеряется селективным
вольтметром Вб-9 и контролируется осциллографом С1-68. Окончательно его величина определяется вольтметром В3-51 и контролируется двухлучевым осциллографом С1-5 5 . Соленоид запитывается от генератора Г3-118. Опорный сигнал, как видно из схемы, для сравнения также подаётся на С1-55.
Схема позволяет выделить низкочастотный (10 2 -
103 Гц) сигнал на уровне 10 7 В. При воздействии на сверхпроводник переменного поля B(t) = B 0 sin й t измеряется величина амплитуды ЭДС
индукции в катушке U0 (B 0). В данной экспериментальной ситуации U0 =N й B 0 S( B 0 );
ЭДС индукции, наводимая (в
ио =К е0 , где е0 среднем) в одном витке. Величина 8( В 0) - площадь поперечного сечения системы образец-катушка, которая пронизывается магнитным полем. Постоянное магнитное поле, создаваемое 4 -х секционным соленоидом, который запитывается от источника СИП-35, направлено вдоль большей оси образца. Переменное же поле (10-4-10-6 Тл) создается соленоидом низкотемпературного зонда и его величина во время проведения измерений не изменяется. После усиления этого сигнала ио его величина определялась вольтметром В7-21А, и он подается на вход фазочувствительного синхродетектора, на него же поступал и опорный сигнал генератора ГЗ-118 через фазовращатель и усилитель. Настройка детектора (со сдвигом фаз Лф=0 и п/2) производилась по фигурам Лиссажу. Величина сигнала с синхродетектора И/ или И// характеризующая действительную (Аф=0) или мнимую (диссипативную) при Дф=п/2 часть отклика, измерялась вольтметром В7-21А. Рабочая температура составила Т = 78К.
Приготовление образцов. Керамические
сверхпроводники У-Ва-Си-0 фазы 123 получали методом твердофазного синтеза из смеси высокочистых У203, ВаС03 и Си0 в соотношении 1:2:3 по иттрию, барию и меди. После первого отжига (синтез) продукт измельчали, перетирали в агатовой ступке, прессовали в стержни размером 20*5*4 мм3 с давлением Р = 15 МПа, и подвергали второму отжигу с последующим медленным охлаждением в печи. Синтез осуществлялся при температуре
9450 С в течение 13 часов, отжиг -- 9500 С, 10 часов (проводились в протоке воздуха). Порошок AgN0з, той же гранулярности, что и исходные, добавляли в выбранной пропорции к весу шихты на этапе за-шихтовки, Легирование серебром осуществлялось в количестве 0; 0.5; 1; 3; 5; 7 и 15 вес.%..
Суммарное содержание примесей по данным химического анализа не превышало 0,05 вес.%. Все образцы с добавками серебра отличались высокой плотностью, достигав-
шей 90% теоретической.
При введении серебра отмечено уменьшение количества и размера пор, улучшение качества поверхности образцов (при механической шлифовке и полировке образцов с серебром заметно уменьшает-
ся выкрашивание поверхности). Рентгенофазовый анализ образцов без серебра и с 0,3—18,6 вес. % показал наличие фазы 123(более 95 об. %) с орто-ромбической структурой. Степень орторомбично-сти кристаллической структуры фазы 123 не зависела заметным образом от добавки серебра.
Микроскопический анализ показал, что использование легирующих добавок в количестве, превышающем 15 вес %, нецелесообразно. При меньших же концентрациях вполне допустимо рассматривать серебросодержащие керамики как систему сверхпроводящих гранул, окутанных ионами нормального металла.
Все полученные образцы были сверхпроводящими, температура начала перехода 93К, окончания 89-90К.
Результаты эксперимента. По характерным точкам на зависимостях Б(В е) и Ц0 (В 0) [1] были определены критические поля изучаемого сверхпроводника В С1 и В с1, которые приведены на рис. 2.
Дальнейшие исследования проводились при воздействии суперпозиции полей. Величина переменной компоненты изменялась, достигая сверхмалых амплитуд В 0 ~ 10 7 Т, где влияние амплитуды на положение кривых ио (В е) и и" (В е) оказалось минимально (рис. 2 и 3). Значения амплитуды приведены в 10 -7 Т (швБ).
Наблюдаемый процесс распространения малого переменного поля по объему (слабых связей) -рис. 2 -- известен для гранулированного высоко-
U0(Be)/U0(°)
2,0-,
1,8-
1,6-
1,4-
1,2-
1,0-
Bs
C1
B
c2
• У
.4
A -
•V
:И
B'
c1
г*.'. *.
B'
• 17 A 12 ▼ 7
c2
B
c1
20
—і—
40
"60"
"80"
Рис.2
B , T*10'
e
100
■4
температурного сверхпроводника. Однако, определив значения критических полей, мы получили возможность выделить некоторые особенности и связать их с проникновением флаксонов: в полях
В е > В С1 начинается интенсивный рост, как отклика, так и его мнимой части. В окрестности первого критического поля гранул В с1 на зависимости
0
и о (В е ) отмечается насыщение с выходом кривой на плато. При небольшом изменении величины отклика (слабый пик) и0 (В ) остается почти постоянной и в полях, превышающих В с1 примерно на 1 мТ, с последующим слабым увеличением.
При анализе же зависимости и" (В е) (рис.3)
Рис.3
В , тТ
е’
обнаружено, что максимум диссипации является сложным, обладает тонкой структурой и включает в себя три составляющих. Максимум А наблюдается в малых полях. Условия его наблюдаемости оказались достаточно сложными (так, с дальнейшим уменьшением амплитуды переменного поля на месте максимума А на кривой присутствует только изгиб). Далее, в полях В е < В с1 отмечается максимум В, связанный с «полем окончания проникновения» в слабые связи В С 2 : проникновением магнитного поля
на полутолщину сверхпроводника. Отметим, что «истинное» значение этого критического поля определяется лишь в области сверхмалых амплитуд. Видно, что максимум С (вблизи В с1 ) меньше, чем
пик В. Соотношение между ними изменяется для сверхпроводников, полученных по различным технологиям, но область полей, где наблюдается аномалия С, всегда принадлежит непосредственной окрестности В с1 .
Проведенное исследование подтверждает, что для данного У-Ва-Си-0 поле проникновения до
__ _ _ т> 5 _ _
полутолщины сверхпроводника В С 2, поле подавления слабых связей В & и первое критическое поле гранул В с1 связаны соотношением: В С2 < В с2 < В с1 . Но в таком случае изменение величины барьера (в совокупности с воздействием на слабые связи) способно изменить последовательность этапов проникновения магнитного потока в высокотемпературный сверхпроводник.
В керамиках У-Ба-Си-О, легированных серебром такие явления обнаружены - показано на примере ВТСП с содержанием Ag 1%: рис.4 и 5.
Влияние серебра проявляется как в уменьшении первого критического поля Б с1, так и в умень-
ип(В)/ип(0)
Рис.4
В,Т*10
шении высоты барьера [7]. В результате последовательность этапов проникновения изменилась:
Б с1 <Б с2 <Б с2 . Произошло уменьшение Б с1 ввиду
возрастания глубины проникновения; увеличение
тч 5
Б с2 вследствие роста критического тока контактов (см. также рис. 4); возросло и Б с2, поскольку про-
Рис. 5
В,Т*10-4
цесс распространения флаксонов не прерывается описанным выше образом, значение же критического тока контактов при легировании растет.
Особо отметим, что в результате легирования серебром (рис. 5) изменяется тонкая структура максимума диссипации электромагнитной энергии. Максимумы А и Б присутствуют на полевых зависимостях квадратурного сигнала, тогда как максимум С, наличие которого связывалось выше именно с действием барьера, экспериментально неразличим.
Обратим внимание, что максимум А слабо проявляется при минимальных значениях амплитуды переменной компоненты поля.
С увеличением содержания серебра эта тенденция изменения критических полей получает свое развитие. Величина первого критического поля гранул существенно уменьшается (рис. 6, содержание Ag 7%), что и ожидалось в отношении влияния серебра на глубину проникновения, а, следовательно, на величину первого критического поля гранул (зарождения вихрей Абрикосова).
В непосредственной окрестности В с1 проникновение абрикосовских вихрей в ВТСП со значительным содержанием серебра протекает сложнее (рис.6). На кривых полевых зависимостей магнитно-
40 60
Рис. 6
80 100 БЛЧ04
го потока Б(В ) в полях В > В с1 наблюдается последовательность небольших ступенек (указано стрелками). Следовательно, проникновение вихрей развивается неравномерно, подобно описанным в [8] процессам.
Проникновение флаксонов в такие ВТСП представлено на рис. 7 и 8. Здесь соотношение величин критических полей заметно отличается от полученного для нелегированной керамики. Действительно, вихри Абрикосова появились в гранулах до завершения процесса движения флаксонов, что не внесло существенных изменений в такое движение. Амплитудная зависимость отклика (рис.8) оказалась аналогичной известной для больших амплитуд. Момент «выгорания» слабых связей фиксируется здесь по инверсии амплитудной зависимости, что, собственно, и является верхней границей диапазона полей, в котором наблюдается движение флаксонов.
В то же время обратим внимание на полевые зависимости потерь электромагнитной энергии -рис. 8. При минимальной амплитуде переменной компоненты наблюдается небольшой пик, положение которого коррелированно с моментом зарождения абрикосовских вихрей. На полевой зависимости отклика (рис. 7) в этой же области полей обнаруживается слабый излом. Такое поведение согласуется с
Ч(Бе)/Ч(°)
Рис. 7
Б,Т*10
Рис. 8
Б,Т*10
утверждением об ослаблении поверхностного барьера при легировании серебром.
Обсуждение результатов. Анализ явлений вблизи первого критического поля гранул Вс1 позволяет утверждать, что эффекты непосредственно связаны с появлением вихрей Абрикосова в гранулах. Действительно, амплитудная зависимость и0 (В ) при сверхмалых амплитудах проявляется только в определенном интервале полей - рис 2,
& &
границы которого обозначим В С1 и В с2 . Ни одно из этих значений не совпадает полностью с критическими полями, характеризующими зарождение флаксонов и вихрей. В условиях воздействия поля
В
В(!) значение В С1 имеет ясный смысл - на-
чало проникновения переменной компоненты поля, что позволяет говорить о преодолении «пиннинга за край перехода» и начале реального движения флаксонов в контактах. При рассматривавшемся выше
значении поля Ве = В С2 переменное поле распространилось по всей системе слабых связей. Для ин-
терпретации же поля Б ^ представляется сущест-
—4
венным, что оно всего лишь на (1-2)* 10 Т меньше, чем первое критическое поле гранул, т.е. лежит в пределах возможного разброса значения Б с1 для
отдельных гранул. Тогда полученная совокупность результатов может быть объяснена с помощью представлений о взаимодействии вихрь - флаксон [6].
Почти полное совпадение Б ^ и Б с1 и последующее ослабление амплитудной зависимости в полях Б > Б с1 предстает результатом появления
первых вихрей, которые ограничили свободное движение флаксонов в слабых связях. Вихри удерживаются поверхностным барьером. Во взаимодействии с флаксонами они оказываются своеобразными «центрами пиннинга», как это показано на рис. 9 [6]. Вихри Абрикосова 1 в сверхпроводящих берегах слабой связи, а вихри Джозефсона 2 в джозефсо-новском переходе.
Но в [6] считалось, что для ограничения подвижности флаксонов достаточно того, чтобы вихрь обладал существенно большей собственной энергией на единицу длины, чем флаксон. Экспериментальные результаты подтверждают ограничение подвижности, и ставят при этом дополнительно необходимое условие. Действительно, видим, что подавление барьера минимизировало влияние зародившихся вихрей на подвижность флаксонов. Следовательно, для реализации закрепления флаксонов необходимы силы, удерживающие вихри Абрикосо-
ва вблизи поверхности.
Таким образом, экспериментально выявлена роль поверхностного барьера в развитии процесса проникновения магнитных полей как в форме флак-сонов, так и вихрей Абрикосова в гранулированный ВТСП, установлены условия, при которых взаимодействие абрикосовских и джозефсоновских вихрей эффективно.
Литература
1. Шушлебин И.М. Проникновение магнитного потока в сверхпроводники У-Ва-Си-0 и Т1 - Ва
- Са - Си - 0//Известия РАН. - 1993. - т.57,№11. -С. 178 - 182.
2. Милошенко В.Е., Шушлебин И.М., Андреева Н.А., Калядин О.В. Влияние малых магнитных полей на металлоксид У-Ва-Си-0//В кн.: Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов. Материалы VI Международной конференции. - Воронеж. - 2005. - С. 111 - 114.
3. Милошенко В.Е., Шушлебин И.М., Калядин О.В. Нижние критические поля сверхпроводника У
- Ва - Си - 0//Физика твердого тела. - 2006. -т.48,№3. - С. 403 - 406.
4. Аржавитин В.М., Ефимова Н.Н., Устимен-кова М.Б., Финкель В.А. Процесс проникновения магнитного поля в высокотемпературный сверхпроводник УВа2Си307-8//Физика твердого тела. - 2000.
- т.42№,8. - С. 1361 - 1364.
5. Кузьмичев Н.Д. Проникновение магнитного поля в систему слабых связей гранулярного сверхпроводника УВа2Си307-х//Физика твердого тела. -2001. - т.43,№>11. - С. 1934 - 1938.
6. Блинов Е.В., Сонин Э.Б., Таганцев А.К., Трайто К.Б. Применимость модели критического состояния и взаимодействие между абрикосовскими и джозефсоновскими вихрями//Сверхпроводимость: физика, химия, техника. - 1991. - т.4,№3. - С. 501 -506.
7. Милошенко В.Е., Шушлебин И.М., Дынин А.Н., Шамрай В.Ф. и др. Влияние серебра на строение и свойства У - ВТСП// Сверхпроводимость: физика, химия, техника. - 1990. - т.3,№11. - С. 2587 -2597.
8. Шушлебин И.М. Милошенко В.Е. Анамаль-ный эффект выдавливания магнитного потока из высокотемпературного сверхпроводника// Сверхпроводимость: физика, химия, техника. - 1992. -т.5,№2. - С. 299 - 304.
Воронежский государственный технический университет
PENETRATION OF JOSEPHSON'S AND ABRIKOSOV’S VORTEXES IN Y-Ba-Cu-O + Ag
I. M. Shushlebin , V.E. Miloshenko, O.V. Kalyadin
Influence of an argentum on process of penetration of fluxons in a high-temperature superconductor is researched. It is observationally revealed hypothetical (Blinov E.V., Sonin E.B., Tagantsev A.K. et.al., 1991) interacting «vortex -fluxon». It is shown, it is not enough for his origination only "massiveness" of the vortex, act of the surface barrier is necessary
Key words: high-temperature superconductor, magnetic flux, vortexes
