Анотація до роботи:

Лужбін Д.А. Поверхневий імпеданс тонких надпровідних плівок у змішаному стані.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.22-надпровідність.-Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, м. Київ, 2001 р.

В рамках моделі лінійного відгуку вихорів розроблено теоретичні моделі динаміки вихоревої гратки в тонких надпровідних плівках в змішаному стані для різних механізмів пінінгу вихорів.

Для випадку паралельної орієнтації зовнішнього магнітного поля по відношенню до поверхні плівки особлива увага приділяється т. зв. розмірним ефектам в структурі та динаміці вихоревої гратки, пов’язаними з сильною взаємодією вихорів з поверхнею плівки. Показано, що ці ефекти суттєвим чином змінюють відгук системи на зовнішнє електромагнітне поле. Досліджено особливості ефекту структурної реорганізації вихоревої гратки в паралельному полі та його вплив на пружні властивості вихоревого ансамблю.

Для випадку перпендикулярної орієнтації магнітного поля узагальнено модель Коффі-Клема та розраховано вплив поверхневого пінінгу на поверхневий імпеданс надпровідника. Запропоновано метод опису електродинамічного відгуку розупорядкованої вихоревої гратки, в рамках якого запропоновано пояснення пік-ефекту польової залежності поверхневого опору, спостереженого в експериментах на ВТНП матеріалах. Побудовано феноменологічну модель опису високочастотного відгуку негомогенних надпровідників, що містять слабкі зв’язки, сформовані пласкими границями зерен, з врахуванням особливостей пінінгу вихорів на цих об’єктах.

З метою побудови теоретичних моделей відгуку вихоревої гратки у тонких надпровідних плівках з різними механізмами пінінгу для різної орієнтації зовнішнього магнітного поля автором було досліджено типові екпериментальні об’єкти: тонкі надпровідні плівки в паралельному та перепендикулярному сталому зовнішньому магнітному полі, яке переводить плівку в змішаний стан. Вперше досліджено вплив розмірних ефектів в структурі та динаміці вихоревої гратки на високочастотний відгук плівки, запропоновано нові методи опису вихоревого відгуку розупорядкованої вихоревої гратки та надпровідної плівки, яка містить пласкі дефекти (бікристали, двійникові кристали і т. і.). Модифіковано модель Коффі-Клема та досліджено вплив поверхневого пінінгу на поверхневий імпеданс надпровідника. В результаті виконаної роботи можна сформулювати наступні висновки:

1. На основі запропонованого методу розрахунку структури та динаміки вихоревої гратки у надпровідних плівках, які знаходяться у паралельному (по відношенню до поверхні плівки) постійному магнітному полі H, теоретично показано, що у випадку тонкої (d_S=Re{Z_S} та поверхневої реактанси X_S=Im{Z_S} у діапазоні НВЧ мають ступінчастий характер, що пов’язано з впливом розмірних ефектів в структурі та динаміці вихоревої гратки, яка утворюється полем H. Вплив поверхневого пінінгу (пов’язаного із бар’єром Біна-Лівінгстона) за цих умов призводить до появи ділянок немонотонності на залежностях Z_S(H), на яких із зростанням величини поля H величина R_S зменшується.

2. Теоретично показано, що при збільшенні зовнішнього магнітного поля H перебудова вихоревої гратки (при паралельній орієнтації поля H) відбувається дискретним чином: при характерних значеннях полів кількість вихоревих рядів збільшується на одиницю. Доведено, що ці дискретні переходи є фазовими переходами другого роду.

3. У великих полях (коли число вихоревих рядів N>>1 та можна нехтувати розмірними ефектами) відгук плівки у паралельному полі з великою точністю описується “континуальною” моделлю Коффі-Клема [6], узагальненої на плівкову геометрію імпедансним перетворенням (1). Таким чином, врахування “дискретності” структури вихоревої гратки є важливим лише у полях, близьких до першого критичного.

4. Високочастотний відгук розупорядкованої вихоревої гратки може бути описаний в рамках так званої “cage”-моделі [9], яка припускає, що коливання кожного окремого вихоря під дією зовнішнього ВЧ поля відбуваються всередині параболічної потенціальної ями (2), яка утворена іншими вихорями. Такий підхід дає змогу адекватно описати немонотонну польову залежність поверхневого опору R_S(H) (“пік-ефект”) в полях порядку ~1Т, який спостерігається в ряді експериментів на ВТНП матеріалах.

5. На основі побудованої теоретичної моделі ВЧ відгуку впорядкованої вихоревої гратки (узагальнення моделі Коффі-Клема) розраховано вплив поверхневого пінінгу на поверхневий імпеданс плівки у перпендикулярному магнітному полі. Поверхневий пінінг може призводити до суттєвого подавлення поглинання енергії у надпровіднику (що, відповідно, полягає у зменшенні поверхневого опору), не змінюючи суттєво її частотної залежності: R_S~w² у низькочастотному діапазоні, як і в моделі Коффі-Клема, та R_S~w^1/2+ew^-3/2, де e<<1-малий параметр,-у високочастотному діапазоні. Цим встановлюється межа для можливості експериментального спостереження ефекту.

6. ВЧ відгук вихорів, які пінінгуються на границях зерен у надпровідниках, що слугують каналами легкого руху для вихорів, полягає в утворенні вихоревих хвиль за рахунок пружної взаємодії вихорів, які пінінгуються всередині границь, з іншими вихорями всередині зерен. Це призводить до суттєвого збільшення НВЧ-енергії (поверхневого опору), що поглинається в плівці, у порівнянні з моделлю Gittleman-Rosenblum’a [13].

Публікації автора:

1. Blatter G., Feigel’man M.V., Geshkenbein V.B., Larkin A.I., Vinokur V.M. Vortices in high-temperature superconductors // Rev. Mod. Phys.-1994.-Vol.66, №4.-P.1125-1388.

2. Brandt E.H. The flux-line lattice in superconductors // Rep. Prog. Phys.-1995.-Vol.58, №11.-P.1465-1594.

3. Golosovsky M., Tsindlekht M., Davidov D. High-frequency vortex dynamics in YBa₂Cu₃O₇ // Supercond. Sci. Technol.-1996.-Vol.9, №1.-P.1-15.

4. Ghosh I.S., Cohen L.F., Gallop J.C. The field dependence of the microwave vortex pinning parameters: evidence for collective pinning effects and unconventional frictional damping // Supercond. Sci. Technol.-1997.-Vol.10, №12.-P.936-943.

5. Трунин М.Р. Поверхностный импеданс монокристаллов ВТСП в микроволновом диапазоне // УФН.-1998.-Т.168, №9.-P.931-952.

6. Coffey M. W., Clem J. R. Magnetic field dependence of rf surface impedance // IEEE Trans. Magn.-1991.-Vol.27, №2.-P.2136-2139.

7. Bhangale A.R., Raychaudhuri P., Sarkar S., Banerjee T., Bhagwat S.S., Shirodkar V.S., Pinto R. Peak-effect in a superconducting DyBa₂Cu₃O_7-d film at microwave frequencies // Phys. Rev. B.-2001.-Vol.63, №18.-P.180502 (on-line).

8. Philipp A., Awasthi A.M., Grьner G. Microwave surface impedance of YBa₂Cu₃O₇ single crystals in high magnetic field // Proc. International Conf. on Mat. and Appl. of Supercond.-Paris (France).-1992.-P.221-226.

9. Brandt E.H. Large range of validity of linear elasticity of the vortex lattice in high-Tc superconductors // Phys. Rev. Lett.-1992.-Vol.69, №7.-P.1105-1108.

10. Van der Beek C.J., Geshkenbein V.B., Vinokur V.N., Linear and nonlinear ac response in the superconducting mixed state // Phys. Rev. B.-1993.-Vol.48, №5.-P.3393-3403.

11. Прохоров В.Г., Касаткин А.Л., Каминский Г.Г., Кузнецов М.А., Мацуй В.И., Пан В.М. Особенности резистивного состояния пленок Y-Ba-Cu-O в магнитном поле

// ФНТ.-1991.-T.17, №4, 467-475.

12. Kasatkin A.L., Pan V.M., Freyhardt H.C. Vortex transfer mechanisms in c-oriented YBCO films with small-angle-boundaries // IEEE Trans. Appl. Supercond.-1997.-Vol.7, №2.-P.1588-1591.

13. Gittleman J.I., Rosenblum B. Radio-frequency resistance in the mixed state for subcritical currents // Phys. Rev. Lett.-1966.-Vol.16, №17.-P.734-736.