Наблюдение фазовых переходов в вихревых структурах сверхпроводников и в магнетиках

Актуальность темы

Сверхпроводники второго рода были открыты Шуб-никовым и др. в 1936 г. [1]. Позднее Абрикосов теоретически показал[2], что (1) эти материалы характеризуются соотношением к > 1 /л/2, где к = А/£ - параметр Гинзбурга-Ландау [3], А — глубина проникновения,? — длина когерентности (связанная с длиной когерентности в чистом материале соотношением 1/? = 1/£о+1/1, Длина свободного пробега квазичастиц [4]) — (11) в магнитном поле Нс 1 < Н < Нс2, где Нс и Н&- - первое и второе критические магнитные поля, в них формируется смешанное состояние, т. е. магнитный поток проникает в образец трубками, в которых сверхпроводимость разрушается, в то время как оставшаяся часть образца остается в сверхпроводящем состоянии, и на каждую трубку приходится квант магнитного потока Фо = Нс/2е (такие трубки получили название вихрей Абрикосова). Электродинамика (в частности, магнитные и транспортные свойства) сверхпроводников второго рода в широком диапазоне магнитных полей и температур определяется именно свойствами системы вихрей Абрикосова. В связи с этим исследования свойств вихревой структуры вызывают большой интерес, как теоретический, так и практический.

В случае изотропного сверхпроводника второго рода наиболее энергетически выгодной является правильная треугольная решетка вихрей [5]. Однако реальные сверхпроводники часто не описываются такой моделью. Разница же в энергиях различных конфигураций вихревой решетки (ВР) незначительна (не более нескольких процентов), поэтому в случае, когда ситуация отличается от рассмотренной в [5], наиболее стабильными могут являться вихревые решетки, отличные от правильной треугольной. К искажению ВР может приводить и взаимодействие вихрей с различными дефектами кристаллической структуры (пиннинг). Более того, в слоистых сверхпроводниках (например, органических и высокотемпературных) возможны конфигурации вихревой структуры, сильно отличающиеся от ВР в объемных сверхпроводниках [6]. Типичными примерами служат вихревая жидкость [7] и вихревое стекло [8]. Для описания свойств таких структур вместо классического, основанного на рассмотрении смешанного состояния сверхпроводника второго рода как упорядоченной системы вихревых трубок в сверхпроводящей матрице, требуется подход, учитывающий специфику этих новых фазовых состояний.

Многообразие различных фаз в вихревых структурах и фазовых переходов между ними способствовало рождению термина «вихревая материя» [6] по аналогии с атомно-молекулярными структурами.

Легированные перовскитные манганиты представляют собой класс магнетиков, обладающих огромным магнитосопротивлением, — при приложении магнитного поля сопротивление этих материалов может изменяться на порядки, что делает эти материалы исключительно привлекательными с точки зрения, например, создания на их основе запоминающих устройств. Этот эффект (в литературе для его названия широкое распространение получил термин «колоссальное магнитосопротивление» обычно связывается с переходом ферромагнитный металл — антиферромагнитный изолятор [9]. Изучение магнитной структуры таких материалов может как дать ответы на многие теоретические вопросы о природе основных процессов, управляющих этим переходом, так и привести к важным практическим приложениям.

Данная работа посвящена изучению вихревой структуры в недавно открытых сверхпроводниках ЬиМгЕЬС и к — (ВЕБТ — ТТЕ)2Си (МС8)2, а также магнитной структуры легированных манганитов Ьао^Зго.зМпОз и Ьао.вСао.гМпОз методикой декорирования мелкодисперсными магнитными частицами, позволяющей получать мгновенные снимки распределения магнитного поля на поверхности образца, анализ которых дает информацию о пространственном распределении магнитного поля. Основное внимание уделено наблюдению фазовых превращений в вихревых и магнитных структурах, происходящих при изменении внешних параметров.

Целью работы являлось изучение фазовых переходов магнитной структуры в вышеупомянутых сверхпроводниках и магнетиках.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые получены следующие результаты, выносимые на защиту:

1) усовершенствованы методика декорирования и использован компьютерный анализ изображений, что позволило исследовать вихревые структуры в Ьи№ 2В2С в рекордно высоких для данной методики полях вплоть до ~2000 Э и в органических сверхпроводниках;

2) исследована зависимость конфигурации вихревой решетки в ЬиМгВгС от внешнего магнитного поля;

3) обнаружен фазовый переход из треугольной в квадратную вихревую решетку при увеличении магнитного поля до Н2 ~500−700 и 900−1100 Э в отожженных и неотожженных образцах LuNi2B2C соответственно;

4) в отожженных образцах LuNi2B2C обнаружен реориентационный переход между двумя конфигурациями треугольной BP, привязанными к различным кристаллографическим направлениям, в магнитном поле Hi =250 Э;

5) впервые получены изображения вихрей Абрикосова и вихревой решетки в органических сверхпроводникахобнаружено, что повышение температуры до 5.5 К приводит к переходу типа порядок — беспорядок в вихревой структуре к — (BEDT — TTF)2Cu (NCS)2;

6) измерена лондоновская глубина проникновения, А и ее анизотропия в сверхпроводящей плоскости be органического сверхпроводника к — (BEDT — TTF)2Cu (NCS)2;

7) впервые методика декорирования применена к изучению магнитной структуры в легированных манганитахполучены результаты о влиянии степени легирования и внешнего магнитного поля на эту структуру.

Личный вклад автора состоял в постановке задач, разработке и усовершенствовании методик, непосредственном выполнении измерений и интерпретации результатов.

Практическая ценность результатов заключается в том, что они предоставляют информацию о свойствах магнитной структуры (в частности, о фазовых превращениях) в вышеупомянутых материалах, что дает ключ к пониманию процессов, определяющих электродинамические свойства этих сверхпроводников и магнетиков. Усовершенствование методики позволило значительно расширить границы применимости методики к изучению магнитных структур — с точки зрения как диапазона магнитных полей, так и исследуемых материалов. Впервые при определении лондоновской глубины проникновения из размера отдельных вихрей Абрикосова было учтено расширение вихрей при переходе из объема сверхпроводника второго рода к поверхности.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на различных международных и российских конференциях: XXXI Совещание по физике низких температур, Москва, 1998; Vortex Physics in HighTemperature.

Superconductors, Stanford, USA, 1999; XXII International Conference on Low Temperature Physics, Espoo and Helsinki, Finland, 1999; 3rd International Symposium On Crystalline Organic Metals, Superconductors and Ferromagnets, Oxford, Great Britain, 1999; International Seminar on Quasi-Two-Dimensional Metal and Superconducting Systems «Chernogolovka 99» — 18th General Conference of the CONDENSED MATTER DIVISION of the European Physical Society, Montreaux, Switzerland, 2000; Moscow International Symposium on Magnetism 2002.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей в реферируемых журналах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Диссертация содержит 92 страницы, включает 34 иллюстрации.

Заключение

.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

• Достигнуто улучшение методики путем выбора оптимальных параметров эксперимента, а также применением компьютерных методов обработки изображений, что позволило продвинуть исследования в область рекордно высоких для декорирования магнитных полей до ~ 2000 Э. Предложена оригинальная методика исследования доменной вихревой структуры. Впервые при определении лондоновской глубины проникновения из размера отдельных вихрей Абрикосова учтено расширение вихря у поверхности сверхпроводника. Впервые методика декорирования с пространственным разрешением лучше 100 нм применена к исследованию магнитных структур в легированных манганитах.

• Проведены исследования эволюции вихревой решетки в LuNi2B2C в зависимости от внешнего магнитного поля. В неотожженных образцах обнаружен фазовый переход в квадратную BP, происходящий в полях Н2 ~900−1100 Э.

• В отожженных образцах LuNi2B2C, отличающихся большей длиной свободного пробега, переход в квадратную BP наблюдается при меньшем значении поля Н2 ~500−700 Э.

Обнаружен фазовый реориентационный переход между конфигурациями BP, привязанными к разным кристаллографическим осям, в магнитном поле Hi -250 Э.

Обнаружена анизотропия дальнего ориентационного порядка в BP вблизи поля перехода Н2, обусловленная анизотропией упругих модулей.

• Впервые получены изображения вихрей Абрикосова в органических сверхпроводниках k-(BEDT-TTF)2Cu (NCS)2 и к—(BEDT—TTF)2CuN (CN)2Br. Изучение вихревой структуры к — (BEDT — TTF)2Cu (NCS)2 выявило существование перехода типа «порядок-беспорядок» при температуре ~ 5.5 К (предположительно, расслоение вихрей Абрикосова на двумерные слои.

— «pancakes»).

В к — (BEDT — TTF)2Cu (NCS)2 оценена лондоновская глубина проникновения Л. Определена ее анизотропия в сверхпроводящей плоскости be .

• Исследована магнитная структура легированных перовскитных манганитов Ьао. вСао^МпОз и Ьао.тБго.зМпОз. В Ьао.тБго.зМпОз наблюдается ферромагнитная структура без включений других фаз. В Ьао. вСао^МпОз существует расслоение характерного масштаба несколько микрон на ферромагнитную и немагнитную фазы. Рост внешнего магнитного поля приводит к увеличению доли ферромагнитных областей и увеличению их связности.