Магнитная фазовая диаграмма высокотемпературных сверхпроводников

Актуальность темы

Спустя 75 лет после пионерского наблюдения Камерлинг-Оннесом в 1911 году явления сверхпроводимости максимальная критическая температура сверхпроводящего перехода, Тс, обнаруженная в бинарном соединении ЫЬ3Ое, составляла ~23К. Открытие в 1986 году Беднорцем и Мюллером сверхпроводимости в оксидном материале (Ъа1хВах)2Си04 при температуре, превышающей ЗОК, положило начало быстрому прогрессу в поиске новых высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в семействе купратных соединений.

В течение нескольких последующих лет усилиями ряда исследовательских групп были синтезированы купратные материалы с ещё более высокими значениями Тс (~85К в В128г2СаСи208+8, ~90К в УВа2Си3075, -110К в В128г2Са2Си3О, 0+з, -120К в Т12Ва2Са2Си301(н5). В 1993 году рекордная величина критической температуры -133К при нормальном давлении была получена в соединении ^ВагСагСигОз+бВсего к настоящему времени в семействе купратных ВТСП известно более 100 различных сверхпроводников.

Исходные нелегированные соединения купратов являются антиферромагнитными диэлектриками, температура Нееля которых, Ты, достигает 400К. Легирование исходных материалов электронами или дырками приводит к быстрому уменьшению Тм и при некоторой концентрации носителей купратные соединения становятся сверхпроводниками. Зависимость Тс от концентрации электронов или дырок носит куполообразный характер: с увеличением концентрации носителей температура сверхпроводящего перехода растет, достигает максимум и затем уменьшается.

Концентрация носителей в купратных ВТСП определяется химическим составом этих соединений. В частности, в дырочных купратах (например, УВа2Си307.5, В128г2СаСи208+8, В128г2Са2Си3О10+5, Т12Ва2Са2Си3О10+§) наиболее распространенным способом варьирования концентрации дырок является изменение содержания кислорода в образцах этих соединений. Поскольку купратные сверхпроводники являются сложными нестехиометрическими оксидами, изменение концентрации кислорода достигается их термообработкой при различных температурах в атмосфере с контролируемым давлением кислорода и последующей закалкой.

Помимо высоких значений Тс, купратные ВТСП характеризуются сильной анизотропией у = {шс1таъ)Х^* достигающей -200 в соединении В128г2Са2СизО10+5, и малой длиной когерентности? порядка нескольких ангстрем, что приводит к гораздо более существенной роли термических флуктуаций в данных соединениях по сравнению с низкотемпературными сверхпроводниками. Отмеченные обстоятельства обуславливает чрезвычайно сложную, не наблюдавшуюся ранее в традиционных сверхпроводниках II рода, магнитную фазовую диаграмму купратных ВТСП, В (Г), которая отражает многообразие свойств вихревой системы в этих соединениях.

В 2001 году произошло еще одно замечательное открытие: сверхпроводимость при температуре около 40К была обнаружена в дибориде магния, МвВ2, сравнительно простом по сравнению с купратными ВТСП химическом соединении, известном до этого события более 50 лет. Активные экспериментальные и теоретические исследования свойств соединения 1^В2, которое, несомненно, также может быть отнесено к разряду высокотемпературных сверхпроводников, вскоре показали, что высокое значение Тс в этом соединении достигается за счет электрон-фононного взаимодействия.

Диборид магния, подобно купратным сверхпроводникам, имеет слоистую кристаллическую структуру. Характерная особенность этого соединения — его многозонная анизотропная электронная структура, прямым следствием которой является двухщелевая сверхпроводимость, обнаруженная в различными методами.

Магнетотранспортные измерения, примененные в данной работе для исследования свойств купратных ВТСП и диборида магния, наряду с магнитными измерениями, являются одним из наиболее распространенных методов исследования магнитной фазовой диаграммы сверхпроводников и динамики их вихревой системы. Измерения резистивного отклика от несущего электрический ток образца, находящегося в смешанном состоянии при температурах выше точки плавления вихревой системы, Тт (Тд), позволяют напрямую фиксировать движение вихрей, вследствие генерируемого ими при движении электрического поля. В отличие от намагниченности, электросопротивление не является термодинамическим параметром материала, поскольку приложение транспортного тока, приводящего в движение магнитные вихри, вызывает возмущение равновесного состояния вихревой системы. Тем не менее, анализ результатов магнетотранспортных измерений даёт важную информацию о различных фазах вихревой системы и переходах между ними, так как поведение сопротивления в зависимости от температуры и магнитного поля значительно отличается в различных областях диаграммы В (Т).

Магнетотранспортные измерения могут быть реализованы при различных вариантах размещения потенциальных и токовых контактов. Как правило, для измерения отклика напряжения с исследуемых образцов в зависимости от температуры, магнитного поля или приложенного тока, используется стандартная 4-х контактная линейная геометрия, когда по образцу протекает электрический ток с равномерным распределением по его сечению. Для измерения эффекта Холла обычно применяется стандартная контактная схема с потенциальными контактами на противоположных гранях образца. Помимо этого, в ряде экспериментов в нашей работе был использован метод мульти-контактных конфигураций с неоднородным распределением тока в образце и несколькими парами потенциальных контактов: псевдо-трансформатор Живера и диск Корбино. Использование таких контактных конфигураций позволяет провести детальные исследования особенностей вихревой системы исследуемых материалов, включая размерность вихрей, их продольную и поперечную корреляцию при движении под действием силы Лоренца, а также судить о применимости локальной электродинамики к описанию транспортных свойств купратных ВТСП в смешанном состоянии.

Незатухающий в течение последних лет интерес к изучению свойств купратных сверхпроводников, в том числе и магнетотранспортным методом, обусловлен, по крайней мере, двумя обстоятельствами, определяющими актуальность исследований, описанных в первой части данной диссертационной работы.

Во-первых, далека от полного понимания существенным образом зависящая от степени дефектности и анизотропии купратных ВТСП структура магнитной фазовой диаграммы, связанная со многими необычными для традиционных низкотемпературных сверхпроводников особенностями вихревой системы этих соединений.

Во-вторых, перспектива практического использования купратных ВТСП требует продолжения исследований влияния различного типа дефектов и легирующих примесей на положение линии необратимости на магнитной фазовой диаграмме, анизотропию сверхпроводящих параметров и токонесущую способность.

Во второй части диссертации представлены результаты наших работ по исследованию свойств монокристаллов MgB2, которые были начаты вскоре после вызвавшего огромный интерес у сверхпроводящего сообщества открытия сверхпроводимости в дибориде магния. По этой причине несомненную актуальность с точки зрения выяснения механизма сверхпроводимости в новом высокотемпературном сверхпроводнике, а также оценки его потенциала для практических применений представляет проведение исследований, направленных на определение магнитной фазовой диаграммы изучение его анизотропных свойств в нормальном и сверхпроводящем состоянии, получение данных о концентрации и типе носителей.

Цель работы заключается в исследовании особенностей магнитной фазовой диаграммы купратных ВТСП с различной степенью анизотропии и плотностью дефектов в параллельной и перпендикулярной ориентации магнитного поля относительно кристаллографической оси с, а также изучении анизотропных свойств и магнитной фазовой диаграммы диборида магния.

Научная новизна.

1. Впервые показано, что в магнитном поле Пс электрические транспортные свойства оптимально легированных кислородом кристаллов УВа2Си3075 с анизотропией у~5-^-10 в жидком вихревом состоянии описываются в рамках локальной электродинамики, тогда как для описания магнетотранспортных свойств сильно анизотропных кристаллов Въ8г2СаСи208+5 (у ~200) в смешанном состоянии локальная электродинамика неприменима.

2. Впервые показано, что в кристаллах УВа2Си307 5 с различной степенью анизотропии в магнитном поле, приложенном параллельно оси с, линия плавления вихревого стекла Вд (Т) описывается эмпирическим выражением Вд = В0[(1— Т/Тс)/(Т/Тс)]а с а"1. Данное выражение применимо также для описания линии Вд (Т) в купратных ВТСП на основе Т1 и В! с большей степенью анизотропии.

3. Впервые показано, что в параллельном магнитном поле В//аЬ в кристаллах УВа2Си307.5 с дефицитом кислорода немногим больше оптимального (90К>" ГС>80К), поведение сопротивления вдоль оси с вблизи температуры плавления вихревого ансамбля, Тд, описывается в рамках модели вихревого стекла р~(Т — Тд)^-2−1^.

4. Впервые показано, что линия плавления вихревого стекла Вд (Т) в легированных свинцом кристаллах В128г2Са2СизОю+5 сдвинута в сторону более высоких температур по сравнению с чистыми кристаллами В128г2Са2СизС>1(*5.

5. Впервые определена анизотропия электросопротивления М§ В2 в нормальном состоянии. Установлено, что отношение сопротивлений вдоль оси с, рс, и параллельно плоскостям аЬ, раЪ, сразу выше Тс составляет примерно 3.5 и практически не зависит от температуры. Показано, что температурные зависимости раЪ и рс хорошо описываются выражением Блоха-Грюнайзена, что отражает существенный вклад электрон-фононного рассеяния в электрический транспорт в М§ В2.

6. Впервые исследован эффект Холла в кристаллах М§ В2 в нормальном состоянии. Показано, что знак коэффициента Холла соответствует преобладающему р —типу носителей в том случае, когда магнитное поле Не, в то время как, в измерениях с магнитным полем НаЬ, доминирует вклад в проводимость носителей п —типа. Полученный результат отражает многозонную и анизотропную электронную структуру.

7. Впервые показано, что анизотропия верхнего критического поля у = Нс2///Нс21 диборида магния зависит от температуры, монотонно уменьшаясь при приближении к Тс, при этом угловая зависимость верхнего критического поля #с2(0) не описывается в рамках модели анизотропных масс.

Практическая значимость работы.

1. Разработан метод синтеза кристаллов УВа2Сиз07.5, который в ходе одного процесса обеспечивает возможность роста большого количества (~30−50) высококачественных кристаллов с хорошо выраженной кристаллической огранкой и зеркальными «/"-поверхностями. Метод синтеза кристаллов защищен патентом РФ№ 2 434 081.

2. В результате исследования магнитной фазовой диаграммы чистых и легированных примесью свинца кристаллов Bi2Sr2Ca2Cu3O10+5 показана важность введения примеси РЬ в это соединение не только для стабилизации фазы Bi2Sr2Ca2Cu3O10+6, но и с точки зрения смещения линии необратимости в сторону более высоких температур.

3. Измеренная методом прямого пропускания транспортного тока величина плотности критического тока jc~ 10 A/cm в монокристаллах Bi2Sr2Ca2Cu3O10+s при Т=77К определяет предел jc данного соединения без ограничения такими внешними факторами, как границы зерен, плотность упаковки материала, разориентация зерен относительно кристаллографических осей и пр. Данная информация, как реперная точка, представляет собой несомненную ценность при создании токонесущих элементов на основе Bi2Sr2Ca2Cu3O10+5, поскольку обозначает нижнюю границу токонесущей способности этого соединения без применения специальных технологий внесения эффективных центров пиннинга.

4. Обнаружено, что легирование соединения YBa2Cu307S примесями железа и цинка приводит к сильному снижению Тс и росту анизотропии, что указывает на неблагоприятность использования этих химических элементов при создании токонесущих элементов на базе YBa2Cu30, s.

5. Определена величина удельного сопротивления кристаллов MgB2 в направлениях Hab и Не в нормальном состоянии. Точное знание величины удельного сопротивления данного материала представляет значительную практическую ценность, поскольку позволяет оценить тепловую стабильность сверхпроводящих токонесущих элементов на основе соединения MgB2 при их переходе в нормальное состояние.

6. Определена магнитная фазовая диаграмма монокристаллов MgB2, обозначающая нижнюю границу диапазона магнитных полей, в котором возможно практическое использование сверхпроводящих материалов, изготовленных с использованием MgB2.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования, использованием оборудования, обеспечивающего необходимую чувствительность и точность эксперимента, а также согласием полученных экспериментальных результатов с выводами теоретических моделей. Воспроизводимость полученных результатов подтверждается проведением измерений на серии образцов с близкими критическими параметрами и сопоставлением полученных результатов там, где это возможно, с результатами других публикаций.

Проведенные исследования особенностей магнитной фазовой диаграммы и анизотропных свойств купратных ВТСП и диборида магния позволяют сформулировать следующие основные положения диссертации, выносимые на защиту:

ПОЛОЖЕНИЕ 1. Транспортные свойства слабо анизотропных кристаллов УВа2Сиз075 в смешанном состоянии в магнитном поле В//с описываются в рамках локальной электродинамики, тогда как в сильно анизотропных кристаллах Bi2Sr2CaCu208+5 локальная электродинамика для описания электрического транспорта в смешанном состоянии неприменима.

ПОЛОЖЕНИЕ 2. В магнитном поле В//с свойства вихревой системы в слабо анизотропных кристаллах УВа2Сиз075 и сильно анизотропных кристаллах Bi2Sr2CaCu208+5 в смешанном состоянии различаются принципиальным образом: в YBa2Cu307.5 с понижением температуры вначале появляется продольная корреляция двумерных вихрей вдоль оси с, и в точке плавления происходит замерзание в твердое состояние протяженных трехмерных вихрей. В то же время в Bi2Sr2CaCu208+s с понижением температуры ниже Тс в первую очередь начинает расти поперечная корреляция движения двумерных панкэйков в отдельных слоях, и в точке плавления устанавливается их продольная корреляция вдоль оси с.

ПОЛОЖЕНИЕ 3. В кристаллах YBa2Cu3075 с различным содержанием кислорода и, соответственно, различной анизотропией в магнитном поле В//с линия плавления вихревого стекла описывается эмпирическим выражением Вд = В0[(1 — Т/Тс)/(Т/ТсУа с а~1, которое также применимо к более анизотропным купратным ВТСП на основе таллия и висмута.

ПОЛОЖЕНИЕ 4. В кристаллах YBa2Cu3075 с большим дефицитом кислорода (ГС~6(Н-70К) и, соответственно, большой анизотропией (у~25-^30) в конфигурации В//ab и 1//с, начиная с магнитных полей -4−6Т, температура плавления вихревой системы в зависимости от приложенного магнитного насыщается и проявляет черты осциллирующего поведения. Данный эффект наблюдается в ограниченном диапазоне угловой ориентации магнитного поля относительно плоскостей ab (0<1°), что указывает на его связь с собственным пиннингом, являющимся следствием слоистой структуры данных соединений.

ПОЛОЖЕНИЕ 5. Легирование кристаллов YBa2Cu3075 примесями железа и цинка приводит к снижению Тс и росту анизотропии. При этом анализ роста у, как функции —АТс показывает, что влияние примеси Fe на анизотропию сравнимо с ростом у при уменьшении концентрации кислорода и в несколько раз превышает влияние примеси цинка.

ПОЛОЖЕНИЕ 6. Анизотропия сопротивления соединения М§ В2 в нормальном состоянии рс/раъ сразу выше Тс составляет примерно 3.5 и практически не зависит от температуры в исследованном интервале вплоть до 300К. При этом температурные зависимости раЬи рс описываются выражением Блоха-Грюнайзена, что предполагает основной вклад электрон-фононного рассеяния в электрический транспорт в 1У^В2.

ПОЛОЖЕНИЕ 7. В кристаллах М§ В2 знак коэффициента Холла соответствует преобладающему р —типу носителей в том случае, когда магнитное поле Не, в то время как в магнитном поле ПаЬ, доминирует вклад в проводимость носителей п —типа, что является следствием многозонной и анизотропной электронной структуры МёВ2. Верхний предел концентрации носителей в соединении М§ В2 составляет для электронов п ~ 3.4×10 см' и дырок р ~ 2.6×1022 см" 3.

ПОЛОЖЕНИЕ 8. Верхнее критическое поле, Яс2(0), кристаллов М§ В2 в перпендикулярном и параллельном магнитном поле составляет ~ 7-н7.5Т и ~21-г22Т, соответственно. Эффективная длина когерентности в плоскости аЪ составляет ~68А, в направлении вдоль оси с ~23А. Длина свободного пробега электронов вдоль плоскости аЬ ив направлении Не достигает ~240А и ~60А, соответственно, в результате чего сверхпроводящее соединение 1У^В2 в виде монокристаллов близко к чистому пределу (I «сверхпроводников II рода.

ПОЛОЖЕНИЕ 9. Анизотропия верхнего критического поля кристаллов MgB2 зависит от температуры, уменьшаясь при приближении к Тс, при этом угловая зависимость Нс2 не описывается в рамках модели анизотропных масс, что является следствием двухщелевой сверхпроводимости М§ В2.

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, были представлены на следующих конференциях в виде устных и стендовых докладов:

1. The 4th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (M2S-HTSC-IV), Grenoble, France (1994).

2. The 21st International Conference on Low Temperature Physics, Prague, Czech.

Republic (1996). th.

3. The 5 International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (M2S-HTSC-V), Beijing, China (1997).

4. International Conference on Physics and Chemistry of Molecular and Oxide Superconductors (MOS1999), Stockholm, Sweden (1999), The 1st International conference «Vortex Matter in Superconductors I», Crete, Greece (1999).

5. The 12th International Symposium on Superconductivity (ISS '99), Morioka, Japan (1999).

6. The Physical Society of Japan 2000 Spring Meeting, Osaka, Japan (2000). th.

7. The 6 International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (M2S-HTSC-VI), Houston, USA (2000).

8. The Physical Society of Japan 2001 Spring Meeting, Tokyo, Japan (2001).

9. Gordon Research Conference on Superconductivity, Oxford, United Kingdom (2001).

10.The 14th International Symposium on Superconductivity (ISS '2001), Kobe, Japan (2001).

11.The Multilateral Symposium between the Korean Academy of Science and Technology and the Foreign Academies, Seoul, Korea (2002).

12.The International Workshop on Superconductivity in Magnesium Diboride and.

Related Materials, Genoa, Italy (2002). 13. International Conference on Physics and Chemistry of Molecular and Oxide.

Superconductors (MOS2002), Hsinchu, Taiwan (2002). 14.0XIDE Workshop with focus on «Vortex matter», Goteborg, Sweden (2003). 15. The 7th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (M2S-HTSC-VII). Rio de Janeiro, Brazil (2003). 1 б. Всероссийская научно-техническая конференции «Прикладная сверхпроводимость — 2010», Москва, (2010).

Кроме того, результаты диссертации неоднократно докладывались на семинарах Отделения физики твердого тела ФИАН им. П. Н. Лебедева РАН (Москва, Россия), Кафедры физики твердого тела Королевского технологического института (КТН, Стокгольм, Швеция), Лаборатории сверхпроводимости Международного технологического центра сверхпроводимости (SRL/ISTEC, Токио, Япония) во время работы автора в данных организациях.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом 20-летних исследований автора в области изучения магнетотранспортных свойств высокотемпературных сверхпроводников. Лично автором или при его непосредственном участии было инициировано большинство описанных в диссертации экспериментов, сформулированы цели и задачи исследований, подготовлены экспериментальные образцы, проведены измерения и анализ полученных данных, сделаны заключительные выводы. Также необходимо отдельно отметить, что лично автором осуществлен рост и характеризация монокристаллов соединений YBa2Cu307S и Bi2Sr2CaCu208+s, в то время как синтез монокристаллов Bi2Sr2Ca2Cu3Oio+8 и MgB2 проводился С. Ли (SRL/ISTEC) при непосредственном участии автора.

Публикации. Представленные в диссертации результаты опубликованы в 37 работах, в том числе 31 статья в реферируемых журналах, рекомендуемых ВАК для публикации основных результатов диссертационных работ, 5 публикаций в трудах конференций и сборниках и один патент Российской Федерации. Список публикаций автора приведен в конце диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, семь глав, заключение, списки авторской и цитированной литературы. Диссертация состоит из 209 страниц, содержит 7 таблиц и 87 рисунков. Библиография цитированной литературы включает 153 наименования.

Результаты исследования анизотропных свойств соединения М§ В2 в сверхпроводящем и нормальном состоянии во многом способствовали выяснению механизма сверхпроводимости в данном соединении.

Кроме того, полученные в работе данные о магнитной фазовой диаграмме соединения ВігЗггСагСизОю+бИ его токонесущей способности, влиянии примесей железа и цинка на критическую температуру и анизотропию соединения УВа2Си3078, а также магнитной фазовой диаграмме соединения М^Вг обладают практической значимостью.

По результатам выполнения работы могут быть сформулированы следующие основные результаты и выводы:

1. Проведены измерения магнетотранспортных свойств УВа2Си307§ с различной концентрацией дефектов в смешанном состоянии кристаллов с использованием контактной конфигурации псевдо-трансформатора Живера. Показано, что с повышением температуры выше точки плавления вихревой системы в некотором температурном интервале вихри сохраняют сильную продольную корреляцию вдоль всей толщины исследуемого образца. При этом протекание транспортного тока вдоль оси с не сопровождается диссипацией, тогда как сопротивление образца вдоль плоскостей аЬ отлично от нуля.

2. Показано, что транспортные свойства слабо анизотропных кристаллов YBa2Cu307-§ (у ~8) в смешанном состоянии количественно описываются в рамках локальной электродинамики, тогда как в сильно анизотропных кристаллах Bi2Sr2CaCu2Og+5 локальная электродинамика для описания таких свойств неприменима.

3. Проведены измерения магнетотранспортных свойств в смешанном состоянии кристаллов Bi2Sr2CaCu208+5 в контактной конфигурации диска Корбино. Показано, что в температурном интервале выше точки плавления вихревой системы существует промежуточная фаза частично коррелированных в плоскости двумерных вихрей.

4. В магнитном поле В//с свойства вихревой системы в слабо анизотропных кристаллах YBa2Cu3075 и сильно анизотропных кристаллах Bi2Sr2CaCu208+5 в смешанном состоянии различаются принципиальным образом: в YBa2Cu307.5 с понижением температуры вначале появляется продольная корреляция двумерных вихрей вдоль оси с, ив точке плавления происходит замерзание в твердое состояние протяженных трехмерных вихрей. В то же время в Bi2Sr2CaCu208+5 с понижением температуры ниже Тс в первую очередь начинает расти поперечная корреляция движения двумерных панкэйков в отдельных слоях, и в точке плавления устанавливается их продольная корреляция вдоль оси с.

5. Впервые показано, что в кристаллах УВа2Сиз075 с различным содержанием кислорода и, соответственно, различной степенью анизотропии, в магнитном поле В//с, линия плавления вихревого стекла Вд (Т) хорошо описывается эмпирическим выражением Вд (Т) = В0[(1-Т/ТсУ (Т/Тс-)]аса~1.

6. Показано, что предложенное нами эмпирическое выражение для линии плавления вихревого стекла в кристаллах УВа2Си3075 с различным содержанием кислорода может успешно применяться для описания этой линии в более анизотропных купратных высокотемпературных сверхпроводниках на основе Т1 и Вь.

7. Впервые показано, что в чистых и легированных свинцом кристаллах В128г2Са2СизОю+5 в магнитном поле В//с свойства вихревой системы описываются в рамках модели вихревого стекла, согласно которой в пределах критической области скейлинга сопротивление степенным образом зависит от температуры Я = В.0(Т — ТдУ²'1^. При этом показатель степени у{г —1)=4.6±0.5 одинаков для чистых и легированных свинцом монокристаллов В128г2Са2Си3Ою+5 и не зависит от величины приложенного магнитного поля.

8. Определено положение линии плавления вихревого стекла на магнитной фазовой диаграмме, которая отделяет фазу твердого вихревого стекла с отличным от нуля критическим током от диссипативной жидкой фазы. Впервые показано, что линия плавления вихревого стекла Вд (Т) для легированных свинцом кристаллов В128г2Са2Си3Ою+8 сдвинута в сторону высоких температур по сравнению с чистыми монокристаллами В^ГгСагСизОю+б.

9. Измеренная методом прямого пропускания транспортного тока величина критического тока /~105 A/cm2 в монокристаллах Bi2Sr2Ca2Cu3O10+5 при температуре кипения жидкого азота определяет предел плотности критического тока данного соединения без ограничения такими внешними факторами, как границы зерен, плотность упаковки материала, разориентация зерен относительно кристаллографических осей и пр.

Ю.Показано, что в магнитном поле B//ab в кристаллах УВа2Сиз075 с содержанием кислорода, близким к оптимальному (Тс > 80К), воздействие собственного пиннинга на динамику вихревой системы существенным образом зависит от направления транспортного тока: в противоположность экспериментальной конфигурации 1//аЬ и I1 В, его влияние минимально, когда транспортный ток 1//с. В частности, в оптимально легированных кислородом «чистых» кристаллах с током Шс, плавление вихревой решетки сопровождается скачком сопротивления, подобно геометрии В//с и I//ab. В кристаллах с дефицитом кислорода немногим больше оптимального (90К>ГС>80К), содержащих повышенное количество дефектов по сравнению с оптимально легированными кислородом образцами, поведение сопротивления вблизи температуры плавления вихревого ансамбля описывается в рамках модели вихревого стеклар~(Г — Tg).

11 .Показано, что в кристаллах УВа2Сиз075 с большим дефицитом кислорода (Тс~6(Н70К) и, соответственно, большой анизотропией (у~25-К30) в конфигурации В//ab и 1//с, начиная с магнитных полей -4−6Т, линия плавления вихревой системы насыщается и проявляет черты осциллирующего поведения в зависимости от величины приложенного поля. Данный эффект наблюдается в ограниченном диапазоне угловой разориентации магнитного поля относительно плоскостей ab (0<1°), что указывает на его связь с присутствием собственного пиннинга.

12.Показано, что сопротивление Холла, как функция температуры, в жидком вихревом состоянии магнитного поля B//ab проявляет аномальный пик, растущий с ростом поля и, в противоположность эффекту Холла с магнитным полем В//с, не меняет знак в диапазоне магнитных полей до 12 Т. На начальном участке роста сопротивления сразу выше температуры плавления вихревого стекла Тд выполняется соотношение скэйлинга между Продольным и холловским сопротивлением Pzx (T)~[pzz (T)]? с экспонентой? = 1.6 ± 0.1. Описанное поведение качественно согласуется с выводами теоретических моделей, рассматривающих эффект Холла в жидком вихревом состоянии купратных сверхпроводников.

13.Показано, что определение анизотропии кристаллов YBa2(CuixMx)307s (M=Fe, Zn) двумя независимыми методами: из анализа положения линии 3D-2D перехода на магнитной фазовой диаграмме и из анализа температурной зависимости флуктуационного вклада в проводимость в различных магнитных полях, дает одинаковые в пределах экспериментальной ошибки результаты.

М.Показано, что легирование кристаллов YBa2Cu307.5 примесями железа и цинка приводит к подавлению Тс и линейному росту анизотропии с увеличением концентрации примесей и соответствующим уменьшением Тс. При этом анализ роста у, как функции —АТс показывает, что влияние примеси железа на анизотропию YBa2Cu307.5 сравнимо с ростом анизотропии при уменьшении концентрации кислорода и в несколько раз больше по сравнению с примесью цинка. Данный эффект вероятно связан с различным типом замещения атомов меди примесями Fe и Zn: железо замещает атомы меди преимущественно в цепочках СиО, оказывая влияние на концентрацию носителей, подобное уменьшению содержания кислорода в цепочках, тогда как примеси цинка главным образом занимают позиции в плоскостях Си02, изменяя соответствующий баланс заряда.

15.Впервые изучена анизотропия сопротивления М§ В2 в нормальном состоянии. Определено, что отношение сопротивлений вдоль оси с, рс, и параллельно плоскостям аЬ, раъ, сразу выше Тс составляет примерно 3.5 и практически не зависит от температуры вплоть до ЗООК. Показано, температурная зависимость раЪ и рс хорошо описывается выражением Блоха-Грюнайзена, что предполагает основной вклад электрон-фононного рассеяния в электрический транспорт в М&В2.

16.Впервые исследован эффект Холла в кристаллах М§ В2 с магнитным полем, приложенным перпендикулярно плоскостям аЬ и параллельно к ним. Показано, что знак коэффициента Холла соответствует преобладающему р — типу носителей в том случае, когда магнитное поле приложено перпендикулярно плоскостям аЬ, в то время как, в измерениях с магнитным полем, направленным параллельно плоскостям аЬ, доминирует вклад в проводимость носителей п — типа. Полученный результат предполагает многозонную анизотропную электронную структуру М§ В2. Определен верхний предел концентрации электронов п ~ 3.4×1022 см" 3 и дырок р ~ 2.6×1022 см" 3.

17.Изучены магнетотранспортные свойства кристаллов MgB2 в смешанном состоянии при различных направлениях магнитного поля относительно кристаллографических осей. Показано, что анизотропия верхнего критического поля у = Нс2///Нс21 зависит от температуры, монотонно уменьшаясь при приближении к 7*с. Впервые обнаружено, что угловая зависимость Нс2(в) не описывается в рамках модели анизотропных масс.

18.Получена оценка верхнего критического поля кристаллов М§ В2 в перпендикулярном и параллельном магнитном поле: Нс2/(0)=7-^7.5Т и ЯС2//(0)~21-К>2Т, соответственно. Определена эффективная длина когерентности в плоскости 68 А и в направлении перпендикулярно слоям £с (0)~23 А. Определена длина свободного пробега электронов в плоскости и направлении перпендикулярно плоскостям в окрестности Тс: -240 А и ~60 А соответственно. Таким образом, показано, что сверхпроводящее соединение М§ В2 в виде монокристаллов близко к чистому пределу (I «Е) сверхпроводников второго рода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения данной работы решены задачи исследования свойств вихревой системы купратных ВТСП с различной анизотропией и степенью дефектности вблизи фазового перехода плавления, а также исследования анизотропных свойств диборида магния в нормальном и сверхпроводящем состоянии и определения его магнитной фазовой диаграммы.

Ряд представленных в диссертационной работе результатов получен нами впервые. Значительный интерес для понимания фундаментальных свойств купратных ВТСП представляют экспериментальные данные о размерности вихревой системы соединения УВа2Си307−5 вблизи фазового перехода плавления, применимости локальной электродинамики к описанию транспортных свойств кристаллов УВа2Си307.5 и Ві28г2СаСи208+5 в смешанном состоянии, динамике вихревой системы в магнитных полях, направленных перпендикулярно и параллельно сверхпроводящим слоям Си02.