Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях

Показано увеличение критических токов композиционного сверхпроводника на основе Nb₃Sn в результате малоинтенсивного ультразвукового воздействия (УЗВ). В рамках механизма взаимодействия вихря с границей зерна, основанного на рассеянии электронов на границе, снижение сжимающих напряжений в слое Nb₃Sn...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2018
Hauptverfasser:	Соколенко, В.И., Карась, В.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2018
Schriftenreihe:	Физика низких температур
Schlagworte:	Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175969
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях / В.И. Соколенко, В.И. Карась // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 3. — С. 251-257. — Бібліогр.: 45 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-175969
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1759692025-02-09T15:23:49Z Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях Pinnning and critical currents of heterogeneous superconductors in various structural states Соколенко, В.И. Карась, В.И. Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника Показано увеличение критических токов композиционного сверхпроводника на основе Nb₃Sn в результате малоинтенсивного ультразвукового воздействия (УЗВ). В рамках механизма взаимодействия вихря с границей зерна, основанного на рассеянии электронов на границе, снижение сжимающих напряжений в слое Nb₃Sn при УЗВ приводит к росту элементарной силы пиннинга за счет уменьшения длины когерентности, увеличения температуры сверхпроводящего перехода и коэффициента электронной теплоемкости. Показано, что для монокристаллического ниобия с высокой плотностью равномерно распределенных дислокаций в полях, близких к Нс₂, полевая зависимость объемной силы пиннинга соответствует системе эффективных точечных центров, удовлетворяющей критерию разреженности. Взаимодействие первого порядка вихря с такими центрами пиннинга существенно превышает характеристику взаимодействия вихря с единичной винтовой и краевой дислокациями. Показано збільшення критичних струмів композиційного надпровідника на основі Nb₃Sn в результаті малоінтенсивного ультразвукового впливу (УЗВ). В рамках механізму взаємодії вихору з межею зерна, заснованого на розсіянні електронів на межі, зниження напружень, що стискають, в шарах Nb₃Sn при УЗВ призводить до зростання елементарної сили пінінгу за рахунок зменшення довжини когерентності, збільшення температури надпровідного переходу і коефіцієнта електронної теплоємності. Показано, що для монокристалічного ніобію з високою щільністю рівномірно розподілених дислокацій в полях, близьких до Нс₂, польова залежність об'ємної сили пінінгу відповідає системі ефективних точкових центрів, що задовольняє критерію розрідженості. Взаємодія першого порядку вихору з такими центрами пінінгу істотно перевищує характеристику взаємодії вихору з одиничною гвинтовою і крайовою дислокаціями. An increase in the critical currents of a composite Nb₃Sn-based superconductor as a result of a lowintensity ultrasound action is shown. In the framework of the mechanism of vortex interaction with a grain boundary based on scattering of electrons at the boundary, the decrease in the compressive stresses in the Nb₃Sn layer when ultrasonic is action leads to an increase in the elementary pinning force due to decrease the coherence length, and increase in both the superconducting transition temperature, and the electronic heat capacity coefficient. It is shown that for single-crystal niobium with a high density of uniformly distributed dislocations in fields close to Hc₂, the field dependence of the pinning volume force corresponds to a system of effective point centers satisfying the criterion of sparse. The first-order interaction of a vortex with such pinning centers is much larger than the characteristic of the interaction of a vortex with a single helical and edge dislocation. 2018 Article Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях / В.И. Соколенко, В.И. Карась // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 3. — С. 251-257. — Бібліогр.: 45 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 62.30.+d, 74.25.F–, 74.62.Dh https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175969 ru Физика низких температур application/pdf Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника
spellingShingle	Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника Соколенко, В.И. Карась, В.И. Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях Физика низких температур
description	Показано увеличение критических токов композиционного сверхпроводника на основе Nb₃Sn в результате малоинтенсивного ультразвукового воздействия (УЗВ). В рамках механизма взаимодействия вихря с границей зерна, основанного на рассеянии электронов на границе, снижение сжимающих напряжений в слое Nb₃Sn при УЗВ приводит к росту элементарной силы пиннинга за счет уменьшения длины когерентности, увеличения температуры сверхпроводящего перехода и коэффициента электронной теплоемкости. Показано, что для монокристаллического ниобия с высокой плотностью равномерно распределенных дислокаций в полях, близких к Нс₂, полевая зависимость объемной силы пиннинга соответствует системе эффективных точечных центров, удовлетворяющей критерию разреженности. Взаимодействие первого порядка вихря с такими центрами пиннинга существенно превышает характеристику взаимодействия вихря с единичной винтовой и краевой дислокациями.
format	Article
author	Соколенко, В.И. Карась, В.И.
author_facet	Соколенко, В.И. Карась, В.И.
author_sort	Соколенко, В.И.
title	Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях
title_short	Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях
title_full	Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях
title_fullStr	Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях
title_full_unstemmed	Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях
title_sort	пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2018
topic_facet	Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175969
citation_txt	Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях / В.И. Соколенко, В.И. Карась // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 3. — С. 251-257. — Бібліогр.: 45 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT sokolenkovi pinningikritičeskietokigeterogennyhsverhprovodnikovvrazličnyhstrukturnyhsostoâniâh AT karasʹvi pinningikritičeskietokigeterogennyhsverhprovodnikovvrazličnyhstrukturnyhsostoâniâh AT sokolenkovi pinnningandcriticalcurrentsofheterogeneoussuperconductorsinvariousstructuralstates AT karasʹvi pinnningandcriticalcurrentsofheterogeneoussuperconductorsinvariousstructuralstates
first_indexed	2025-11-27T08:48:31Z
last_indexed	2025-11-27T08:48:31Z
_version_	1849932713485664256
fulltext	Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3, c. 251–257 Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях В.И. Соколенко1, В.И. Карась1,2 1Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт» Национальной академии наук Украины, ул. Академическая, 1, г. Харьков, 61108, Украина 2Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61022, Украина E-mail: vsokol@kipt.kharkov.ua karas@kipt.kharkov.ua Статья поступила в редакцию 10 октября 2017 г., опубликована онлайн 25 января 2018 г. Показано увеличение критических токов композиционного сверхпроводника на основе Nb3Sn в ре- зультате малоинтенсивного ультразвукового воздействия (УЗВ). В рамках механизма взаимодействия вихря с границей зерна, основанного на рассеянии электронов на границе, снижение сжимающих напря- жений в слое Nb3Sn при УЗВ приводит к росту элементарной силы пиннинга за счет уменьшения длины когерентности, увеличения температуры сверхпроводящего перехода и коэффициента электронной теп- лоемкости. Показано, что для монокристаллического ниобия с высокой плотностью равномерно распреде- ленных дислокаций в полях, близких к Нс2, полевая зависимость объемной силы пиннинга соответствует системе эффективных точечных центров, удовлетворяющей критерию разреженности. Взаимодействие первого порядка вихря с такими центрами пиннинга существенно превышает характеристику взаимодейст- вия вихря с единичной винтовой и краевой дислокациями. Показано збільшення критичних струмів композиційного надпровідника на основі Nb3Sn в результаті малоінтенсивного ультразвукового впливу (УЗВ). В рамках механізму взаємодії вихору з межею зерна, заснованого на розсіянні електронів на межі, зниження напружень, що стискають, в шарах Nb3Sn при УЗВ призводить до зростання елементарної сили пінінгу за рахунок зменшення довжини когерентності, збільшення температури надпровідного переходу і коефіцієнта електронної теплоємності. Показано, що для монокристалічного ніобію з високою щільністю рівномірно розподілених дислокацій в полях, близьких до Нс2, польова залежність об'ємної сили пінінгу відповідає системі ефективних точкових центрів, що задо- вольняє критерію розрідженості. Взаємодія першого порядку вихору з такими центрами пінінгу істотно пе- ревищує характеристику взаємодії вихору з одиничною гвинтовою і крайовою дислокаціями. PACS: 62.30.+d Механические и упругие волны; вибрации; 74.25.F– Транспортные свойства; 74.62.Dh Влияние дефектов кристаллической структуры, допирования и примесей замещения. Ключевые слова: ультразвуковое воздействие, композиционный сверхпроводник, сила пиннинга, крити- ческие токи. 1. Введение В юбилейном номере журнала, посвященном 90- летию со дня рождения академика И.М. Дмитренко — яркого представителя научной школы академика Б.Г. Лазарева, — внесшего большой вклад в развитие низкотемпературной физики твердого тела и сверхпрово- димости, авторы статьи хотели бы привести результаты решения одной из задач физики сверхпродников II рода. Композиты, включающие несверхпроводящую мат- рицу, содержащую протяженные нитевидные или слои- стые элементы из сверхпроводящих сплавов или соеди- нений, и металлические сверхпроводники II рода с различными типами дефектов кристаллической решетки относятся к классу гетерогенных сверхпроводников. Представители данного класса обладают высокими кри- тическими параметрами сверхпроводимости [1–3]. © В.И. Соколенко, В.И. Карась, 2018 В.И. Соколенко, В.И. Карась Для интерметаллидов со структурой А-15 значения таких характеристик, как температура сверхпроводящего перехода Тс и второе критическое поле Нс2, определяют- ся особенностями их электронных и фононных спектров и электрон-фононного взаимодействия (ЭФВ) [4]; крити- ческие токи Jс существенно зависят от структурно- фазового состава, связанного с режимами воздействий, применяемых при получении сверхпроводящих компо- зитов [5–7]. Реакционные отжиги осуществляются при температурах, существенно превышающих рабочие температуры (криогенных жидкостей). При охлажде- нии в интервале температур 1000–4,2 К бронзовая мат- рица, Nb3Sn и Nb сжимаются на 1,82, 0,77 и 0,71 % со- ответственно [8], откуда следует, что сверхпроводящая фаза испытывает действие сжимающих напряжений со стороны матрицы. Различие сжимаемости компонентов композита приводит к возникновению сложной эпюры термических напряжений, влияющих на значения важ- нейших характеристик сверхпроводимости и механиче- скую устойчивость. Связанное с воздействием напряжений изменение критических параметров сверхпроводимости характе- ризуют следующие данные. У монокристаллов Nb3Sn с кубической [9] и тетрагональной [10] решетками, про- волок и лент с диффузионными слоями Nb3Sn [11–13], поликристаллического сплава [14] наблюдается сниже- ние Тс при гидростатическом и одноосном сжатии, рас- тяжении, изгибе. Удаление бронзовой оболочки у про- волочных образцов приводит к повышению Тс [15,16]. Сжимающие напряжения для данного соединения вы- зывают также снижение Нс2 [17] и Jс [18,19]. Для понижения уровня внутренних напряжений в гетерогенних системах могут быть использованы ме- тоды воздействия знакопеременными напряжениями сравнительно низкого уровня (ниже усталостной проч- ности) [20]. В этом случае возможна реализация про- цессов микропластической деформации, прежде всего в отдельных микрообъемах кристалла, где существуют локальные пиковые напряжения термической природы. Учитывая сказанное выше, представляет интерес иссле- дование механизмов, контролирующих изменение кри- тических сверхпроводящих параметров композита на основе Nb3Sn в результате малоинтенсивных ультразву- ковых воздействий (УЗВ). Элементарные сверхпроводники II рода — хорошие модельные объекты для экспериментального изучения критических токов и механизмов пиннинга вихрей при- менительно к различным типам дефектов кристалличе- ской решетки. В [21] было показано, что деформация прокаткой при Т = 20 К на «среднюю» степень монокри- сталлического образца ниобия приводит к его трансфор- мации в гетерогенный сверхпроводник с равномерно распределенными дислокациями высокой плотности (≈13·1010 см–2) в средней части и более сложной структу- рой в приповерхностных слоях вследствие процессов ротационной пластичности. Наблюдаемая более низкая токонесущая способность в области малых полей и полей вблизи Нс2 для образцов Nb с гетерогенными структура- ми по сравнению со структурой в виде равномерно рас- пределенных дислокаций связана с усилением термомаг- нитной неустойчивости в приповерхностных слоях в микрообъемах, содержащих границы фрагментов [22]. Представляет интерес установить механизм пиннинга в монокристаллическом Nb, характеризующемся высокой токонесущей способностью, cо структурой в виде рав- номерно распределенных дислокаций. 2. Образцы и методы исследований В проволочных образцах композиционного сверхпро- водника на основе Nb3Sn диаметром 0,5 мм в результате термомеханических воздействий Nb, входивший 55 жи- лами в бронзовую матрицу, частично превращался в ин- терметаллид Nb3Sn (10 % объема композита) [23]. В ис- ходном состоянии композиционный сверхпроводник характеризовался Тс0 = 16,0 К, отношением электросо- противлений R300 К/R18 К = 41,7 и условным пределом текучести σ02 = 450 МПа, измеренным в условиях рас- тяжения при 300 К. Ультразвуковое воздействие осу- ществлялось с частотой ~18,5 кГц и экспозицией 20 мин в интервале температур 4,2–300 К по методике, описанной в [24]. Для использованной амплитуды ультразвуковых колебаний (≈1 мкм) оценка интенсив- ности УЗВ в соответствии с [25] составила ≈ 15 Вт/см2, что позволяет считать УЗВ в указанном режиме мало- интенсивным. Образцы монокристаллического ниобия с Тс0 = = 9,15 К и остаточным удельным сопротивлением ρn0 = 0,937 мкОм·см представляли собой прямоугольные параллелепипеды (25×2,5×0,5 мм). Деформация прокат- кой осуществлялась в среде жидкого водорода; направ- ление прокатки было близким (100), а плоскость — (001). Критические параметры сверхпроводимости образ- цов измерялись в поперечных магнитных полях по методикам, представленным в [26]. 3. Результаты и их обсуждение 3.1. Исследование композиционного сверхпроводника на основе Nb3Sn Таблица 1 характеризует изменения Тс и R300 К/R18 К вследствие УЗВ при различных темпера- турах. Видно, что УЗВ приводит к увеличению Тс во всем температурном интервале с максимумом при Тus = 77 К, коррелирующим с максимальным прирос- том величины R300 К/R18 К. В табл. 2 представлены значения критических токов в интервале магнитных полей 5,3 Тл ≤ В ≤ 6,8 Тл, а также предела текучести сверхпроводящего композита в ис- ходном состоянии и после ультразвукового воздействия. 252 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях Из таблицы следует, что УЗВ приводит к росту Jс и снижению σ02, причем воздействие ультразвука при Т = 77 К более эффективно, чем при 300 К. Таблица 1. Значения приростов температуры сверхпрово- дящего перехода и отношений электросопротивления компо- зиционного сверхпроводника на основе Nb3Sn в результате ультразвуковых воздействий при различных температурах Тus, К 300 183 77 20 4,2 ∆Тс, К 0,15 0,40 0,57 0,35 0,20 ∆(R300 К/R18 К), % 5,28 18,06 34,12 27,10 20,62 Таблица 2. Критические токи и предел текучести компози- ционного сверхпроводника на основе Nb3Sn в исходном со- стоянии и после ультразвукового воздействия при 77 и 300 К Состояние σ02, МПа Jc, 104 А/см2 В = 5,3 Тл В = 6,3 Тл В = 6,8 Тл Исходное Тus = 77 К Тus = 300 К 450 340 410 4,33 5,60 5,33 3,00 4,01 3,73 2,53 3,46 3,25 Отметим, что для композита, содержащего нитевид- ные включения хрупкой фазы Nb3Sn в пластичной брон- зовой матрице, величина σ02, определяемая при растяже- нии, соответствует началу пластического течения именно в матрице и зависит от уровня сжимающих напряжений, образующихся вследствие различия коэффициентов тер- мического расширения бронзы и Nb3Sn [8]. Ясно, что увеличение Тс и Jс в результате УЗВ следует отнести к заметному уменьшению уровня внутренних сжимаю- щих напряжений, о чем свидетельствует снижение σ02. Максимальное увеличение Тс при Тus = 77 К может быть связано как с особенностями температурного хода упру- гих модулей Nb3Sn [27], так и с тем обстоятельством, что при более низких температурах воздействию под- вергается фаза уже с тетрагональной решеткой. Соглас- но [28], для Nb3Sn при Т = 43 К происходит фазовый переход Баттермана–Баррета, что может сказаться на протекании релаксационных процессов. Наблюдаемый эффект увеличения Jс при снижении уровня сжимающих напряжений находится в соответст- вии с результатами работы [29], в которой представлены данные о том, что для проволочных композитов на ос- нове Nb3Sn, вне зависимости от конструкции, экспери- ментальные точки укладываются на спадающие зависи- мости Jс (ε0) (ε0 — деформация). В соответствии с имеющимися представлениями о природе критических токов в Nb3Sn пиннинг вихревой решетки существенно определяется взаимодействием вихрей с границами зерен [30]. Выделяют три возмож- ных механизма взаимодействия [31]: между полями де- формации границы и полями напряжений вихревой ре- шетки; кристаллически-анизотропное взаимодействие и взаимодействие вследствие рассеяния электронов на границе. Важнейшим является последний из указанных механизмов взаимодействия. В рамках подхода, осно- ванного на формализме возмущений в теории Гинзбур- га–Ландау, выражение для фурье-образа элементарной силы пиннинга, обусловленного электронным рассеяни- ем, имеет вид [31] ( ) ( ) 2 0 1 1 2ˆ 1 ( ), 3 ces f b H g gπ ∆ = − µ κ κ (1) где g1 — кратчайший вектор обратной решетки, b ≅ H/Hc2, 1( )g∆ κ κ — одномерный фурье-образ относи- тельного изменения параметра Гинзбурга–Ландау κ как функция расстояния от границы зерна, Нс — тер- модинамическое критическое поле. В нашем случае УЗВ не приводит к изменению об- щей площади границ зерен, поэтому изменение объем- ной силы пиннинга и Jс следует увязать с изменением элементарной силы пиннинга. Используя выводы тео- рии БКШ, теории ГЛ сверхпроводников II рода и эф- фекты электрон-фононного взаимодействия, можно выразить величины Нс, Нс2, Тс и κ через параметры сверхпроводника в нормальном состоянии [30,32,33]: 1 24,3 (1 / ),c c cH T T T≅ ϑ − (2) 3 1 2 0 0 tr 07,5 10 (1 1,3 / )kκ ≅ + ⋅ ρ ϑ + ξ , (3) ( ) 4 0 1,38 10 1 F c V T ⋅ =ξ + λ , (4) 2 0 tr 0~ (1 1,3 / )(1 / ).c c cH T T Tρ ϑ + ξ − (5) Здесь ρ0 — удельное электросопротивление, ℓtr — длина свободного пробега электронов, ξ0 — длина ко- герентности, ϑ — коэффициент электронной теплоем- кости, VF — фермиевская скорость. Из выражений (1)– (5) следует, что увеличение элементарной силы пин- нинга может быть связано с изменениями Тс, ρ0, ξ0 и .ϑ Нет оснований считать, что релаксация напряжений в результате малоинтенсивного УЗВ будет сопровож- даться генерацией дефектов в решетке Nb3Sn. Тогда имеем ρ0 = const, ℓtr = const и при малых изменениях для приращений Δκ, Δϑ и Δξ0 из (3) следует 0 0 – . ∆ξ∆κ ∆ϑ = κ ϑ ξ (6) Рассмотрим изменения микроскопических парамет- ров, соответствующие наблюдаемому увеличению Тс. Как известно, для сильно связанных сверхпроводников константа ЭФВ 2 2(0)N J Mλ = 〈 〉 〈ω 〉 — основная ве- личина, определяющая Тс. В этой формуле N(0) — плотность состояний, 2J〈 〉 — усредненный квадрат Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 253 В.И. Соколенко, В.И. Карась матричного элемента ЭФВ, 2〈 〉ω — среднеквадратич- ная частота, М — масса иона. В рамках модели Горь- кова структурных переходов в решетке Nb3Sn взаимо- действие одномерных цепочек атомов Nb, образующих трехмерный каркас, приводит к возникновению лога- рифмической особенности в электронной плотности состояний вблизи точки Χ [30,34]. При мартенситном переходе, сопровождаемом тетрагональной деформа- цией ОЦК решетки, в случае, когда уровень Ферми проходит через точку Χ, на участках поверхности Фер- ми, примыкающих к этой точке, возникает щель, что приводит к снижению плотности состояний и соответ- ственно величина Тс должна снижаться [34]. Дополни- тельные сжимающие напряжения будут усиливать этот эффект. Есть экспериментальные свидетельства умень- шения коэффициента электронной теплоемкости в тет- рагональной фазе [30]. Известно также, что для соеди- нений А-15, как правило, снижение Тс соответствует увеличению дебаевской температуры Θ [30]. В свою очередь Θ коррелирует с усредненными характеристи- ками фононного спектра. В случае сжатия решетки происходит увеличение фермиевской скорости, в ре- зультате чего следует ожидать увеличение 2J〈 〉 . Таким образом, снижение λ под воздействием сжимающих напряжений будет происходить за счет уменьшения N(0) и роста 2〈 〉ω , что превысит эффект от увеличения 2 .J〈 〉 Соответственно, снятие упругих напряжений сжа- тия в результате УЗВ вызывает эффекты противопо- ложного знака у величин N(0), 2〈 〉ω и 2J〈 〉 и приводит к росту Тс, что наблюдается в эксперименте. Из вида ξ0 (4) следует, что снятие сжимающих напря- жений вызывает уменьшение этой величины вследствие увеличения Тс и λ и снижения фермиевской скорости, что будет соответствовать положительному вкладу в измене- ние параметра Гинзбурга–Ландау κ (6). Учитывая про- порциональную связь ϑ и плотности состояний на уровне Ферми N(0), ясно, что увеличение κ происходит также вследствие роста N(0), о чем шла речь выше. Таким образом, снижение сжимающих напряжений в слое Nb3Sn в результате УЗВ обусловливает рост эле- ментарной силы пиннинга, связанной с электронным рассеянием на границах зерен (1), за счет увеличения Тс, ϑ и уменьшения ξ0. Корреляция Тс и ϑ с элементарной силой пиннинга при уменьшении сжимающих напряже- ний соответствует, учитывая (5), корреляции этой силы со вторым критическим полем. Независимым подтвер- ждением проведенного анализа является корреляция максимальных значений критического тока и Нс2 [35]. 3.2. Исследования монокристаллического ниобия У образцов ниобия, деформированных прокаткой на «средние» степени (∼ 40%) при Т = 20 К, в силу специфики этого вида деформации, особыми элемен- тами дефектной структуры в приповерхностных слоях являются дислокационные границы разориентации, выявляемые на расстоянии 1,5–2 мкм от поверхности. При этом для средней части образца характерно рав- номерное распределение дислокаций высокой плотно- сти (Nd ≈ 13·1010 см–2) [21]. При пропускании через сверхпроводник II рода на- растающего транспортного тока проникновение потока в объем происходит после превышения полем поверх- ностных токов первого критического поля. Максималь- ный градиент плотности вихрей будет связан с дислока- ционными границами разориентации, что обеспечивает протекание локальных критических токов плотностью loc cj , существенно превышающих характеристики мик- рообъемов с равномерно распределенными дислока- циями в средней части образца. В определенных условиях критическое состояние ста- новится неустойчивым к малым возмущениям различной физической природы и процесс проникновения магнит- ного потока в сверхпроводник приобретает лавинообраз- ный характер [36,37]. Возникающая термомагнитная не- устойчивость (ТМН) представляет собой развивающееся связанным образом возмущение температуры и электро- магнитного поля и приводит к снижению токонесущей способности. Критерием адиабатической устойчивости критического состояния сверхпроводника является па- раметр β, характеризующий его спонтанный разогрев, вызванный малым внешним возмущением [36]: 2 0 c c p j jL TC ∂µ β = ∂ , (7) где L — характерный масштаб изменения электрическо- го поля в образце; Сp — теплоемкость; jc — плотность критического тока; μ0 — магнитная проницаемость. Параметр β представляет собой отношение плотности магнитной энергии к «запасу» энтальпии сверхпровод- ника [37]. Критическое состояние устойчиво при усло- вии β < 1. Из выражения (7) в случае плоской геометрии в мо- дели критического состояния Бина следует оценка ог- раничения максимальной величины перепада индук- ции в образце Вj в виде [22] ( ){ }1 2 00~ ,j cpB CB T T∆ < −µ (8) где ∆В — максимальная величина перепада индукции; Т0 = const, Тс — критическая температура. В соответствии с механизмом дислокационного увеличения температуры сверхпроводящего перехода ΔТс ~ Nd [38]. В случае флуктуации малое возмущение со стороны микрообъема с большими значениями Тс и loc cj (области с фрагментированной структурой) будет индуцировать, согласно выражению (8), локальное пре- вышение максимальной величины перепада индукции для соседнего микрообъема с более низкими значе- ниями Тс и loc cj . В результате возникнет ТМН и макро- 254 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях скопическое разрушение сверхпроводимости, что про- является в фиксируемом лавинообразном падении на- пряжения на вольт-амперных характеристиках. Из рис. 1 следует, что монокристаллический ниобий с гетерогенным характером дефектной структуры (со- стояние после деформации прокаткой (кривая 1) и по- сле утонения на 6,9 % (кривая 2)) характеризуется су- щественно более низкой токонесущей способностью в малых полях и полях 0,6 < b < 1 по сравнению с гомо- генной структурой в виде равномерно распределенных дислокаций, доминирующей во всем сечении образца после максимального уменьшения его толщины (кри- вая 3). Утонение образца также влияет на «хвосты» по- верхностной сверхпроводимости при b > 1. Видно, что в этом случае значения критических токов для исходного состояния наибольшие (кривая 1) и уменьшаются при увеличении ∆h / h0. Более сильное «проседание» зави- симости Jc(b) после утонения на 6,9 % соответствует приросту Тс на 0,13 К по сравнению с характеристикой деформированного образца. Известно, что магнитное поле транспортного тока проникает в объем сверхпроводника II рода в виде круговых и геликоидальных вихрей. Изучению влия- ния магнитных линий подобной природы на свойства сверхпроводников II рода посвящен ряд исследований. В частности, в [39] получена зависимость плотности круговых магнитных линий и величины транспортного тока от радиуса проводника. В работе [40] предложена модель, в которой разрушение сверхпроводимости ВТСП со слабым пиннингом (Jc ≤ 107 А/м2) связано с вхождением в образец вихревых колец или геликои- дов. Можно полагать, что генерация транспортным током вихревых нитей указанной конфигурации в ге- терогенных образцах ниобия может в определенной мере влиять на токонесущую способность. Геликои- дальные вихри, которые пиннингуются в приповерх- ностных слоях с повышенной плотностью дефектов, будут эффективно снижать максимальную величину перепада индукции, что служит дополнительным фак- тором усиления ТМН. Фактор термомагнитной неустойчивости критическо- го состояния, зависящий от характера распределения де- фектов кристаллической решетки и проявляющийся на полевых зависимостях критического тока при больших его значениях, существенно ослабляется в полях вблизи Нс2, что дает возможность описать экспериментальные результаты в рамках известных моделей пиннинга. Одна- ко расчеты показали, что построить зависимости объем- ной силы пиннинга от приведенной индукции для всех структурных состояний невозможно вследствие множе- ства центров закрепления различной природы и мощно- сти, в частности, наличия в приповерхностных областях фрагментированной структуры и равномерно распреде- ленных дислокаций в центральной части деформиро- ванного образца. Для областей вблизи сердцевины образца Nb, прока- танного на 42%, в полях, близких к Нс2, объемная сила пиннинга описывается выражением 1/2~ (1 )pF b b− (рис. 2). Сопоставим данный результат с существующи- ми модельными представлениями. Из [41] следует, что зависимость указанного вида характерна для системы точечных центров пиннинга, удовлетворяющей крите- рию разреженности, согласно которому отсутствует за- метное перекрытие полей деформаций, создаваемых в решетке вихрей различными центрами пиннинга. В де- формированном кристалле систему линейных дефектов нельзя считать разреженной даже при больших рас- стояниях между ними. Тем не менее в реальной системе Рис. 1. Зависимости Jc (b) монокристаллического Nb, дефор- мированного прокаткой при 20 К на 42% (1) и после относи- тельного уменьшения толщины образца при утонении на ∆h/h0 = 6,9 % (2), 53,8 % (3) [22]. Рис. 2. Зависимость объемной силы пиннинга Fp от b1/2(1–b) ниобия, деформированного прокаткой при 20 К на 42%, по- сле относительного уменьшения толщины образца при уто- нении на ∆h/h0 = 53,8 %. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 255 В.И. Соколенко, В.И. Карась дислокаций высокой плотности каждая дислокация, имея искривленную форму, перегибы, пороги, пересекает большое число вихрей. В этих условиях на расстояниях порядка десяти периодов вихревой решетки локальные силы пиннинга действуют синхронным образом [41]. Для системы дислокаций со средним расстоянием меж- ду ними ~ 0ξ в качестве эффективных центров пиннинга могут быть группы дислокаций, имеющих параллель- ные или почти параллельные вихрю сегменты. Локаль- ная сила пиннинга эффективного центра подобного ти- па будет существенно выше, чем в случае, когда углы пересечения вихря и дислокационных линий близки к прямому. В нашем случае величину взаимодействия вихря в системе равномерно распределенных дислокаций вы- сокой плотности можно оценить, следуя результатам работы [42], в которой рассчитано взаимодействие первого порядка для системы хаотически распределен- ных дислокаций высокой плотности. Усредненная энергия взаимодействия вихря единичной длины, со- гласно [42], имеет вид ( ) ( )0 2 0 24 1 1 2exp 1 2 11 V B x x E kb xx −    ∆ = δε ξ − −   + +   (9) и достигает максимального значения при среднем рас- стоянии между дислокациями 0~ 1,7 .d ξ Здесь 0Vδε — относительное изменение объема при сверхпроводя- щем переходе, k — объемный модуль, bВ — вектор Бюргерса, ξ0 — длина когерентности, 0/x d= ξ , d — среднее расстояние между дислокациями. Для сердцевины образца Nb, деформированного на «средние степени», имеем Nd ≈ 13·1010 см–2 [21], чему соответствует ξ0 ≈ 400·10–8 см [43]. Тогда d ~ (Nd)–1/2 ≈ ≈ 280·10–8 см и x ≈ 0,7. Используя характерные для Nb значения 0 73 10V −δε = ⋅ [41], k = 1,7·1011 Н/м2 [44], bB = 2,86·10–8 см [45], из формулы (9) получаем ∆E ≈ 1,9·10–13 Дж/м, что позволяет приблизительно оценить эффективную силу пиннинга /pf E d= ∆ ≈ ≈ 6,7·10–6 Н/м. Это значение превышает характеристи- ку взаимодействия вихря с единичной винтовой и краевой дислокациями (~ 10–6 и 7·10–7 Н/м соответст- венно [41]). Выводы Установлено, что малоинтенсивное ультразвуковое воздействие существенно улучшает критические пара- метры сверхпроводимости проволочного композита на основе соединения Nb3Sn вследствие релаксации внут- ренних термических напряжений. Проанализированы факторы изменения токонесущей способности композита в рамках механизма взаимодей- ствия вихря с границей зерна, основанного на рассеянии электронов на границе: снижение сжимающих напря- жений в слое Nb3Sn в результате УЗВ приводит к росту элементарной силы пиннинга за счет уменьшения дли- ны когерентности, увеличения температуры сверхпро- водящего перехода и коэффициента электронной тепло- емкости. Показано, что для монокристаллического ниобия с высокой плотностью равномерно распределенных дис- локаций в полях, близких к Нс2, объемная сила пиннин- га описывается выражением 1/2~ (1 )pF b b− , соответст- вующим разреженной системе эффективных точечных центров пиннинга. Взаимодействие первого порядка вихря в системе эффективных точечных центров пин- нинга существенно превышает характеристику взаимо- действия вихря с единичной винтовой и краевой дисло- кациями. ________ 1. Б.Г. Лазарев, П.А. Куценко, Л.С. Лазарева, Б.К. Прядкин, Н.А. Черняк, Металлофизика 12, №3, 18 (1990). 2. B.G. Lazarev, O.V. Сherny, L.S. Lazareva, N.A. Сhernyak, G.E. Storozhilov, P.A. Kutsenko, and B.K. Priadkin, Cryogenics 32, ICMC Suppl., 592 (1992). 3. В.И. Соколенко, Я.Д. Стародубов, ФНТ 19, 251 (1993) [Low Temp. Phys. 19, 675 (1993)]. 4. С.В. Вонсовский, Ю.А. Изюмов, Э.З. Курмаев, Сверхпро- водимость переходных металлов и их сплавов, Наука, Москва (1977). 5. I.S. Duchovnii, V.P. Korshov, and Ch. Bazan, Phis. Status Solidi A 60, K177 (1980). 6. Б.Г. Лазарев, В.М. Пан, Металлофизика 1, 52 (1979). 7. В.П. Коржов, Способы получения сверхпроводящих материалов на основе интерметаллических соединений со структурой А-15 (Обзор), Вопросы технической сверхпроводимости, Черноголовка (1984), с. 5. 8. G. Rupp, IEEE Trans. Magn. MAG-13, 1565 (1977). 9. J.P. McEvoy, Physica 55, 540 (1971). 10. C.W. Chu and L.J. Vieland, J. Low Temp. Phys. 17, 25 (1974). 11. А.А. Мацакова, Вопросы атомной науки и техники, Серия: Общая и ядерная физика, вып. 1(4), 9 (1985). 12. Б.Г. Лазарев, Л.С. Лазарева, О.Н. Овчаренко, А.А. Мацакова, ЖЭТФ 43, 2309 (1962). 13. C.B. Muller and E.J. Saur, Adv. Cryog. Eng. 8, 574 (1963). 14. Л.Ф. Верещагин, Ю.С. Коняев, Э.Н. Берзон, И.В. Веллер, ДАН СССР 203, 1270 (1972). 15. Т. Luhman and M. Suenaga, Appl. Phys. Lett. 29, 61 (1978). 16. H. Hillman, H. Kuckuck, H. Pfister, G. Rupp, E. Springer, M. Wilhelm, K. Wohlleben, and G. Ziegler, IEEE Trans. Magn. MAG-13, 792 (1977). 17. G. Rupp, Adv. Cryog. Eng. Mater. 26, 522 (1980). 18. C.B. Muller and E.J. Saur, Adv. Cryog. Eng. 9, 338 (1964). 19. G. Rupp, Cryogenics 21, 619 (1981). 20. В.И. Соколенко, А.В. Пахомов, О.И. Волчок, Н.А. Черняк, В.С. Оковит, В.В. Калиновский, Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение №2(96), 154 (2015). 256 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 https://doi.org/10.1109/TMAG.1977.1059631 https://doi.org/10.1016/0031-8914(71)90299-0 https://doi.org/10.1007/978-1-4613-9859-2_62 https://doi.org/10.1016/0011-2275(81)90234-4 Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях 21. В.К. Аксенов, И.Ф. Борисова, В.И. Соколенко, Я.Д. Стародубов, ФНТ 19, 1077 (1993) [Low Temp. Phys. 19, 763 (1993)]. 22. В.И. Соколенко, Я.Д. Стародубов, ФНТ 18, 1183 (1992) [Low Temp. Phys. 18, 827 (1992)]. 23. М.А. Тихоновский, Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники №6(14), 115 (2004). 24. Г.Н. Малик, В.И. Соколенко, Я.Д. Стародубов, М.А. Тихоновский, М.М. Олексиенко, Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-физические исследования (Теория и эксперимент) вып. 2 (23), 64 (1992). 25. B. Weiss, Aluminium 48, 741 (1972). 26. В.И. Соколенко, Дисс. докт. физ.-мат. наук, Харьков (2008). 27. В.В. Шмидт, Введение в физику сверхпроводников, Наука, Москва (1982). 28. Л. Тестарди, М. Вегер, И. Гольдберг, Сверхпроводящие соединения со структурой β-вольфрама, Мир, Москва (1977). 29. W.J. Ekin, Adv. Cryog. Engin. 24, 306 (1978). 30. В.М. Пан, В.Г. Прохоров, А.С. Шпигель, Металло- физика сверхпроводников, Наукова думка, Киев (1984). 31. E.J. Kramer, Adv. Cryog. Eng. Mater. 28, 307 (1982). 32. L.F. Mattheiss and L.R. Testardi, Phys. Rev. B 20, 2196 (1979). 33. H. Weismann, M. Gurvitch, A.K. Ghosh, H. Luts, O.F. Kammerer, and M. Strongin, Phys. Rev. B 17, 122 (1978). 34. С.В. Вонсовский, Сверхпроводимость переходных металлов и их сплавов, Наука, Москва (1977). 35. J.W. Ekin, J. Appl. Phys. 62, 4829 (1987). 36. А.В. Гуревич, Р.Г. Минц, А.Л. Рахманов, Физика компози- ционных сверхпроводников, Наука, Москва (1987). 37. В.А. Альтов, В.Б. Зенкевич, М.Г. Кремлев, В.В. Сычев, Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем, Энергоатомиздат, Москва (1984). 38. В.К. Аксенов, В.И. Соколенко, Я.Д. Стародубов, ФНТ 19, 1083 (1993) [Low Temp. Phys. 19, 769 (1993)]. 39. H.A. Ullmaier and R.H. Kernohan, Phys. Status Solidi 17, K233 (1966). 40. В.Ф. Хирный, В.П. Семиноженко, А.А. Козловский, ФТТ 38, 2951 (1996). 41. A. Kемпбелл, Дж. Иветтс, Критическе токи в сверх- проводниках, Мир, Москва (1975). 42. Г.А. Баралидзе, З.К. Саралидзе, Письма в ЖЭТФ 12, 263 (1970). 43. В.И. Соколенко, Я.Д. Стародубов, Б.А. Мерисов, Г.Я. Хаджай, ФНТ 27, 471 (2001) [Low Temp. Phys. 27, 345 (2001)]. 44. Ч. Киттель, Введение в физику твердого тела, Наука, Москва (1978). 45. Ж. Фридель, Дислокации, Мир, Москва (1967). ___________________________ Pinnning and critical currents of heterogeneous superconductors in various structural states V.I. Sokolenko and V.I. Karas` An increase in the critical currents of a composite Nb3Sn-based superconductor as a result of a low- intensity ultrasound action is shown. In the framework of the mechanism of vortex interaction with a grain boundary based on scattering of electrons at the bounda- ry, the decrease in the compressive stresses in the Nb3Sn layer when ultrasonic is action leads to an in- crease in the elementary pinning force due to decrease the coherence length, and increase in both the supercon- ducting transition temperature, and the electronic heat capacity coefficient. It is shown that for single-crystal niobium with a high density of uniformly distributed dislocations in fields close to Hc2, the field depend- ence of the pinning volume force corresponds to a sys- tem of effective point centers satisfying the criterion of sparse. The first-order interaction of a vortex with such pinning centers is much larger than the character- istic of the interaction of a vortex with a single helical and edge dislocation. PACS: 62.30.+d Mechanical and elastic waves; vibrations; 74.25.F– Transport properties; 74.62.Dh Effects of crystal defects, doping and substitution. Keywords: ultrasound action, composite superconduc- tor, pinning force, critical currents. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 257 https://doi.org/10.1007/978-1-4613-3542-9_30 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.20.2196 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.17.122 https://doi.org/10.1063/1.338986 https://doi.org/10.1002/pssb.19660170220 https://doi.org/10.1063/1.1374718 1. Введение 2. Образцы и методы исследований 3. Результаты и их обсуждение 3.1. Исследование композиционного сверхпроводника на основе Nb3Sn 3.2. Исследования монокристаллического ниобия Выводы

Пиннинг и критические токи гетерогенных сверхпроводников в различных структурных состояниях

Institution

Ähnliche Einträge