Магнитные свойства сверхпроводников Лекция Фазовая диаграмма

Магнитные свойства сверхпроводников Лекция №

Фазовая диаграмма сверхпроводника в магнитном поле • • Сверхпроводимость можно разрушить: - при увеличении температуры T > Tc - большим магнитным полем H > Hc Фазовая диаграмма сверхпроводника в плоскости Н – Т описывается эмпирически найденной формулой

Эффект Мейсснера (открыт Вальтером Мейсснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году) • 1 случай – обычный проводник • Изменяющееся (растущее) магнитное поле индуцирует экранирующий ток (правило Ленца), который создает поле противоположного направление. Этот ток затухает в обычном проводнике с постоянной времени τ = L/R. • (В случае быстро-переменного поля – скин-эффект)

Магнитные свойства идеального проводника • 2 ой случай – идеальный проводник. • Магнитное поле индуцирует экранирующий ток, который создает в образце магнитное поле противоположного направления

Сверхпроводник- Эффект Мейсснера • 3 й случай - сверхпроводник • Эффект Мейсснера – сверхпроводник всегда выталкивает магнитный поток

Левитация с использованием сверхпроводников

Квантование потока в сверхпроводящем кольце • Поток Ф = n. Ф 0 • Ф 0 = 2*10 -7 Гс*см 2

Магнитные свойства сверхпроводников 1 рода

Зависимость намагниченности от формы образца • Сверхпроводящая сфера в однородном магнитном поле соленоида • Сверхпроводимость разрушается, когда поле достигает критического значения Hc. • Магнитные силовые линии будут иметь большую плотность на «экваторе» и там будет локальное увеличение магнитного поля Hm> H 0. • Что произойдет, когда «экваториальное» поле Hm достигнет значения Hc?

Коэффициент размагничивания • • Hm – максимальное поле на поверхности Но – однородное внешнее поле Нm=H 0/(1 -n) Коэффициент n определяется формой тела и называется коэффициентом (фактором) размагничивания • Цилиндр в параллельном поле n=0 • Цилиндр в поперечном поле n=1/2 • Сфера n=1/3 • • Тонкая пластина в поперечном поле n=1

Промежуточное состояние сверхпроводников 1 рода с ненулевым коэффициентом размагничивания

Промежуточное состояние сверхпроводников 1 рода • Для тонкой сверхпроводящей пластины переход в промежуточное состояние происходит при бесконечно малом значении внешнего поперечного поля. • Промежуточное состояние состоит из областей нормальной фазы, пронизанных магнитным полем и сверхпроводящих областей, в которых нет магнитного поля. • На рисунке слева – распределение нормальных и сверхпроводящих (темные) областей в оловянной сфере. (Шубников)

Структура промежуточного состояния • Меандровая ламелларная структура промежуточного состояния сверхпроводников 1 рода с чередующимися областями нормальной и сверхпроводящих фаз – типичная для сверхпроводника 1 рода в поперечном магнитном поле. • • T. E. Faber Proc. Roy. Soc. A 248, 460 (1958)

Магнитные свойства сверхпроводников 2 рода • Кривая намагниченности • Первое критическое поле Hc 1 (поле начала проникновения вихрей, т. е. поле конца Мейсснеровского состояния)) Второе критическое поле Hc 2 (поле перехода к нормальному состоянию в обьеме сверхпроводника) • • В тонком поверхностном слое сверхпроводимость сохраняется вплоть до Hc 3=1. 69 Hc 2 (поле поверхностной сверхпроводимости)

Смешанное состояние сверхпроводников 2 рода • Смешанное состояние (Шубниковская фаза) образуется регулярной решеткой Абрикосовских вихрей. • Превая экспериментальная визуализация структуры смешанного состояния

Проникновение поля в сверхпроводники 2 рода. Методы визуализации распределения магнитного потока (и отдельных вихрей). • • • - Биттеровское декорирование - Сканирование датчиком магнитного поля - Лоренцевская микроскопия - Сканирующая туннельная микроскопия - Сканирующая силовая микроскопия - Магнито – оптические методы (преимущества – хорошее временное разрешение процесса проникновения, применимость к любому сверхпроводящему образцу с плоской поверхностью, простота экспериментальной установки).

Биттеровское декорирование. Первое изображение проникновения магнитного потока в сверхпроводник 2 рода. Pb-4 at%In цилиндрик, 1. 1 K, 195 G (U. Essmann и Н. Trauble, Max-Planck Institute, Stuttgart, Physics Letters 24 A, 526 (1967)

Изображение вихрей сканированием датчика Холла, YBa. Cu. O пленка, 1000 G, (A. Oral et al. , University of Bath, Supercond. Sci. Technol. 10, 17 (1997))

Изображение вихрей Лоренцевской микроскопией Nb пленка, K. Harada et al. , Hitachi Lab, Nature 360, 51 (1992)

Сканирующая туннельная микроскопия Nb. Se 2, 1 T, 1. 8 K (H. F. Hess et al. , Bell Labs, Phys. Rev. Lett. 62, 214 (1989))

Изображение вихрей микроскопией магнитных сил (Magnetic Force Microscopy) YBa 2 Cu 3 O 7 film, 1. 7 G, 1. 3 K, (A. Moser et al. , University of Basel, Phys. Rev. Lett. 74, 1847 (1995))

Магнито-оптический метод визуализации распределения магнитого потока основан на эффекте Фарадея, то есть на вращении поляризации света, вызванном магнитным полем. В малых магнитных полях угол вращения поляризации зависит от поля линейно, α = d V H, где d это расстояние в веществе, пройденное светом, а V – параметр материала, постоянная Верде.

Установка магнито-оптического метода • Магнито-оптический индикатор (МО) помещается на пути светового луча между поляризатором и анализатором, скрещенными на угол 900. Если есть магнитное поле, перпендикулярное пленке, то намагниченность Bi: YIG (висмутиттрий-железный гранат, гранат – минерал состава R 2+3 R 3+2 [Si. O 4]3) будет отклонена от плоскости индикатора. Перпендикулярная компонента намагниченности будет вызывать Фарадеевское вращение поляризации света. Угол вращения будет малым там, где магнитное поле мало, и большим в областях большого поля. После прохождения анализатора свет будет соответственно иметь распределение интенсивности, которое отражает величину поля в плоскости индикаторной пленки.

Эффект Мейсснера. Визуализация распределения магнитного потока магнито-оптическим методом для квадратной пленки • Квадратная сверхпроводящая пленка охлаждена ниже критической температуры в нулевом поле. Затем приложено малое перпендикулярное поле. Магнито - оптическое изображение показывает, что поле не проникает в сверхпроводник (черные области соответствуют нулевому полю). Магнитные силовые линии должны изогнуться вокруг сверхпроводника и таким образом сконцентрироваться около краев, которые являются наиболее яркими на этом изображении.

Критическое состояние в сверхпроводящей пленке • Когда внешнее поле превышает первое критическое поле Нс1, то магнитный поток проникает в сверхпроводник 2 рода в виде вихрей Абрикосова (линии потока, магнитные вихри), каждый из которых несет квант магнитного потока h/2 e. Проникновение потока затруднено из-за микроскопических неоднородностей (пиннинг – центров, a pin – булавка) материала, которые захватывают и удерживают (пиннингуют) вихри Абрикосова. В результате формируется так называемое критическое состояние, то есть распределение магнитного потока с некоторым градиентом, который определяется критическим током.

Наблюдение критического состояния магнито-оптическим методом • Это магнито-оптическое изображение показывает распределение магнитного потока в пленке сверхпроводника, помещенной в поперечное магнитное поле. Также, как и в случае Мейсснеровского состояния, наиболее яркие области наблюдаются у краев образца, где концентрируется вытолкнутый поток. В то же время, поток уже проник достаточно далеко вглубь сверхпроводника с краев квадрата. Только углы и центральная часть остаются свободными от потока (полностью черными). • • Захваченный поток в нулевом поле Нижнее изображение показывает, что довольно большое количество магнитного потока остается захваченным в сверхпроводнике, когда после приложения довольно большого внешнего поля оно было уменьшено до нуля. Максимальная плотность потока обнаруживается в центре и вдоль диагоналей. • • Магнитные силовые линии сближаются около краев и наблюдаемые там яркие области соответствуют обратному потоку, т. е. магнитному полю обратного направления. Между центральным пиком и краем находится черная область аннигиляции потока, свободная от магнитного потока(яркость картинки представляет абсолютное значение плотности потока).

Видео проникновения потока • • К охлажденному в нулевом поле сверхпроводнику прикладывается магнитное поле, увеличивающееся до большого значения, а затем уменьшающееся опять до нуля. Видео-фильм сделан как комбинация последовательных магнито - оптических изображений распределений поля во время этого процесса. При возрастании поля, можно видеть плавное продвижение потока с краев, до тех пор, пока только две диагонали остаются свободными от магнитного потока. Во время уменьшения поля, напротив, диагонали представляют области с максимальной плотностью потока, в то время как минимум обнаруживается на краях (темная область). И наконец, когда поле уменьшается до нуля, края опять становятся яркими снова, указывая на плотность обратного потока. В случае малого максимального поля, проникновение потока не полное и центр вместе с двумя диагоналями всегда остается свободным от магнитного потока).

Видео дендритно-лавинного проникновения потока в пластинку Mg. B 2 • Когда сверхпроводящая пленка помещена в перпендикулярное магнитное поле, проникновение потока иногда происходит через резко (лавинообразно), что приводит к дендритным картинам магнитного потока, что можно наблюдать магнитооптическими методами. Видео проникновения потока в тонкую пленку Mg. B 2 составлено из 101 изображения, снятых при 3 К и при увеличении поля от нуля до 35 m. T и затем уменьшении до нуля.