Высокотемпературные Сверхпроводники

Различные участки вихревой фазовой диаграммы обусловлены сравнительными вкладами четырех энергий: температурной, вихревого взаимодействия, вихревого спаривания между слоями и пиннинга. Температурная энергия вытесняет вихревую структуру в жидкое состояние, энергия взаимодействия благоприятствует кристаллическому состоянию, энергия спаривания стремится упорядочить плоскопараллельные вихри в форме линейных последовательностей, а энергия пиннинга генерирует беспорядок. Взаимодействие этих энергий, чьи относительные вклады сильно изменяются в зависимости от магнитного поля и температуры, приводит к сложному фазовому поведению, определяющему вихревую материю. Тогда линию необратимости можно интерпретировать как линию плавления, выше которой достигается жидкое вихревое состояние, а ниже - существует стеклообразное или кристаллическое состояние. Стеклообразное состояние связано спиннингом магнитного потока в образце, нарушающим любое движение вихрей. Первое ясное свидетельство плавления вихревой решетки было получено при измерении транспорта (электрического сопротивления) для бездвойниковых одиночных кристаллов YBCO в случае поля Н, приложенного параллельно оси с. При хорошо определимой температуре «замораживания» магнитного потока Тт., которая зависит от магнитного поля, наблюдалось внезапное падение сопротивления до нуля, определяющее наступление сильного пиннинга в твердой вихревой материи. Резкое падение сопротивления при температуре Тт демонстрирует переход замораживания первого рода. Переход первого рода, определяющий плавление вихревой решетки, наблюдался при термодинамических измерениях на высококачественном одиночном кристалле BSCCO, также при Н, параллельном оси с.

Ранние исследования транспорта в ВТСП продемонстрировали степенную зависимость вольтамперной характеристики «I-V» (I - сила тока, V - напряжение), которая в последующем была выбрана в качестве критерия для перехода замораживания в пределах сверхпроводящей стеклообразной вихревой структуры. В другой интерпретации для этого используется распределение энергии активации.

Ослабления пиннинга магнитного потока при плавлении вихревой решетки можно ожидать только в случае существования намного большего количества вихревых линий по сравнению с имеющимися центрами пиннинга. В то же время в противоположном случае размягчение вихревой сетки часто приводит к более сильному пиннингу, чем в твердой вихревой сетке. Это объясняется тем, что дефекты размера атома (такие, как кислородные вакансии) являются центрами пиннинга в ВТСП (случай, часто реализуемый на практике). Поэтому плавление вихревой материи необязательно приводит к уменьшению пиннинга. Из-за сложности этого вопроса простого ответа не существует. Пиннинг магнитного потока обусловливается пространственной неоднородностью сверхпроводящего материала, приводящей к локальному подавлению плотности свободной энергии Гиббса магнитной вихревой структуры. Вследствие малой длины когерентности в ВТСП неоднородности даже атомного уровня могут действовать в качестве центров пиннинга. В качестве таких важных примеров отметим отклонения от стехиометрии, кислородные вакансии в плоскостях СuО2 и границы двойников. Разделение линии магнитного потока на индивидуальные плоскопараллельные вихри также способствует пиннингу, обусловленному дефектами атомного размера.

 

3.4 Взаимодействие флюксоидов с центрами пиннинга

Как уже отмечалось, для получения высокой плотности критического тока необходимо, чтобы микроструктура сверхпроводника удерживала вихревые нити магнитного потока от движения, вызываемого силами Лоренца. Это достигается только закреплением (пнннингом) флюксоидов на неоднородностях (или дефектах) микроструктуры. Однако не всякий дефект может эффективно взаимодействовать с вихревыми линиями. Например, в классических сверхпроводниках вакансии, индивидуальные атомы вторых фаз или другие им подобные крошечные дефекты не являются эффективными центрами пиннинга по очевидным причинам: как правило, характерный размер флюксоида - длина когерентности - намного превышает размер атома, т. е. характерный размер такого дефекта. Поэтому вихревая линия просто «не замечает» их. Наоборот, структурные дефекты с размерами и больше становятся эффективными в этом смысле и могут обусловить высокие плотности критического тока.

Однако в случае высокотемпературных  сверхпроводников ситуация иная. Здесь длина когерентности настолько мала, что точечные дефекты имеют размеры, соизмеримые с величиной .

Можно показать, что для  отрыва вихря от сферической поры необходимо приложить максимально  возможный ток для данного  сверхпроводника (ток разрушения Куперовской пары).

Представленное обсуждение также применимо к сверхпроводникам, содержащим крошечные диэлектрические включения. Оно остается удовлетворительным (по крайней мере, по порядку величины) для включения из металла с нормальными свойствами, при условии, что его характерный размер больше . Ограничение обусловлено эффектом близости1, который существенен только на расстояниях порядка длины когерентности от поверхности раздела. Отсюда, различные типы включений представляют эффективные центры пиннинга в сверхпроводниках. Это свойство широко используется в технических применениях при действии больших критических токов и магнитных полей.

В качестве эффективных  центров пиннинга в сверхпроводниках отметим также дислокации, дислокационные стенки, границы зерен и границы раздела различных сверхпроводников.

Каждый дефект способен захватить примерно один вихрь. Следовательно, пиннинг оптимальной эффективности можно ожидать при магнитных полях, для которых период регулярной вихревой структуры меньше среднего расстояния между аморфными треками. Когда сила Лоренца, обусловленная внешним полем, становится больше силы взаимодействия с дефектом или неоднородностью, тогда смещение вихревого потока приводит к диссипации энергии и возникновению конечного электрического сопротивления. Это состояние вихревой структуры носит название резистивного состояния.

Как это можно ожидать, движение вихрей, обусловленное силами Лоренца, и соответствующее сопротивление магнитному потоку сильно зависят от трех уникальных свойств ВТСП: высокой критической температуры, малой длины когерентности и слоистой анизотропной структуры. Комбинация указанных особенностей сильно облегчает движение вихрей, приводя к разрушению сверхпроводимости. Вследствие этого резистивный переход значительно расширяется в магнитном поле. Это одна из причин, стимулирующих огромные усилия материаловедов по изменению технологии получения ВТСП с целью уменьшения движения вихрей посредством активизации пиннинга магнитного потока. Очевидно, эта проблема будет осложняться с открытием сверхпроводников, имеющих еще большие температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

 

3.5 Слабые связи Джозефсоновского типа

Слабые связи (Джозефсоновские  переходы) можно классифицировать следующим образом:

1.  Устройства без  концентрации тока, такие как  туннельные переходы типа «сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник» (S-I-S). Толщина изолирующего слоя в них, как правило, около 1-2 нм, а плотность критического тока порядка 104 А/см2, т. е. много меньше плотности критического тока объемного сверхпроводника, в частности, превышающей 105А/см2 при 77 К и 0 Тл в выплавляемых образцах Y(RE)BCO.

2. Слоистые структуры  типа «сверхпроводник - нормальный металл- сверхпроводник» (S-N-S) содержат нормальный слой толщиной ~1 мкм. Волновые функции сверхпроводящих электронов пронизывают металл благодаря эффекту близости. В области их перекрывания волновые функции интерферируют, устанавливая фазовую когерентность между объемными сверхпроводниками.  Если  амплитуда сверхпроводящей волновой функции в слабой связи мала, тогда и критический ток мал.

3. Слоистые структуры,  в которых нормальный слой  между двумя сверхпроводниками  заменен легированным полупроводником  или другим сверхпроводником с малой плотностью критического тока. Например, если тонкая сверхпроводящая пленка покрыта тонкой металлической пленкой с нормальными свойствами, то амплитуда волновой функции сверхпроводящих электронов в пленке уменьшается там, где она контактирует с металлом, вследствие эффекта близости. Это обусловливает локальное уменьшение плотности критического тока, т. е. возникновение слабой связи.

4. Устройства с концентрацией  тока. Плотность критического тока в слабой связи такая же, как и в объеме, но абсолютное значение критического тока намного меньше. Сверхпроводящая пленка с коротким узким сужением (мостик Дайема) попадает в эту категорию при условии, что размер сужения имеет порядок длины когерентности . Другим примером является мостик переменной толщины, такой, что толщина основной пленки составляет сотни нанометров, в то время как толщина самого мостика только несколько десятков нанометров.

5. Интеркристаллитный (или бикристаллитный) переход, типичный для высокотемпературных сверхпроводников. Вследствие сверхмалой длины когерентности в ВТСП ( 1 нм) дефекты в их кристаллической структуре могут действовать как слабые связи. Хорошо контролируемые дефекты могут быть созданы между двумя областями эпитаксиальной высокотемпературной пленки с различной ориентацией кристаллов (интеркристаллитных границ). Плотность критического тока такой слабой связи можно изменять, варьируя угол разориентацин между двумя кристаллитами.

ВТСП-Джозефсоновские  переходы (ДП) также могут быть классифицированы в рамках следующих трех классов:

- переходы без интерфейсов,  в которых слабые связи обусловливаются  локальной деградацией сверхпроводящих свойств ВТСП тонкопленочных микромостиков при фокусированном электронном или ионном радиационном облучении;

- переходы с присущими  барьерами или интерфейсами, образованные, например, интеркристаллитными границами различной кристаллографической ориентации;

- переходы с внешними  интерфейсами, при изготовлении которых используются искусственные барьеры из металлов, не обладающих эффектом сверхпроводимости, или изоляционных материалов.

С точки зрения проблемы дефектности и прочности материалов основной интерес представляют последние  два класса Джозефсоновских переходов. ВТСП ДП с внешними интерфейсами изготавливаются по пленочной технологии и представляют собой многослойные структуры (гетероструктуры) с прямолинейными и наклонными поверхностями раздела. Существуют различные технологические возможности для увеличения сверхпроводящих свойств таких систем. Например, избыточное легирование кальцием интеркристаллитных границ в многослойных структурах и сверхрешетках YBCO позволяет существенно повысить Jс при всех температурах вплоть до Тс, а также в магнитных полях до 3 Тл.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Следует заключить, что  уже из весьма узкого спектра вопросов, рассмотренных в данной работе можно  заключить, что высокотемпературная  сверхпроводимость является довольно сложным, ещё не до конца изученным явлением. Тем не менее, современный технологический уровень эксперимента позволяет получить ответы на многие вопросы и высказать вполне обоснованные предположения о природе явлений в ВТСП. Изложенный выше материал является основным, как для общего понимания явления сверхпроводимости, так и для постановки вопросов, которые необходимо решить для дальнейшего прогресса в данной области. Такими вопросами являются, например, получение механически более прочных сверхпроводящих материалов, материалов, способных выдерживать высокие значения токов, магнитных полей, естественно при максимально возможной температуре. Помимо этих очевидных проблем перед учёными, например, стоит задача активизации пиннинга магнитного потока с целью уменьшения движение вихрей, разрушающих сверхпроводимость

Важным пунктом данной работы также является рассмотрение фундаментальной темы Джозефсоновских явлений, которые уже сейчас применяются в различных устройствах (например, датчиках магнитных полей).

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1.  Паринов И. А. Микроструктура и свойства высокотемпературных  сверхпроводников. – Ростов н/Д: Изд-во Рост. ун-та, 2004. – Т.1. – 416 с.

2. Ципенюк Ю. М. Физические основы сверхпроводимости: Учеб. пособие: Для  вузов.– М.:Изд-во МФТИ, 2002. – 160 с. 

3. Гольцман Г.  Н. Эффекты Джозефсона в сверхпроводниках // Соросовский  образовательный журнал. - 2000. – т.6, №4. – с.96 - 102