Piotr Juszyński Konrad Kapcia Drugie pole krytyczne i linia nieodwracalności polikryształu i epitaksjalnej warstwy nadprzewodnika MgB2 II nagroda Ministra Nauki i Informatyzacji w Polskich Eliminacjach Konkursu Prac Młodych Naukowców Unii Europejskiej 2005

Plan prezentacji Wprowadzenie do nadprzewodnictwa. Znane właściwości i powody dalszych badań MgB2. Badane próbki. Przeprowadzone pomiary i ich wyniki. Podsumowanie.

Co to jest nadprzewodnictwo? R=0 dla wszystkich T < Tc Poniżej pewnej temperatury zwanej temperaturą krytyczną Tc nadprzewodnik nie wykazuje oporu elektrycznego. B=0 we wnętrzu nadprzewodnika B = µ0(H + M) => M = - H Materiał nadprzewodzący umieszczony w polu magnetycznym całkowicie wypycha je ze swego wnętrza (tzw. efekt Meissnera). Jeśli pole jest zbyt duże (większe niż tzw. pole krytyczne Hc), próbka nie jest w stanie go wypchnąć i pole to niszczy nadprzewodnictwo. W stanie nadprzewodzącym w próbce powstają prądy nadprzewodzące, które ekranują jej wnętrze przed zewnętrznym polem magnetyczny. Wtedy namagnesowanie próbki przestaje być zerowe.

Nadprzewodniki I-go i II-go rodzaju H<Hc1 Hc1<H<Hc2 H>Hc2 stan nadprzewodnictwa stan mieszany stan normalny Nadprzewodniki I-go rodzaju Nadprzewodniki II-go rodzaju Tc rzędu kilku Kelwinów Tc rzędu kilkudziesięciu Kelwinów Posiadają jedno pole krytyczne Hc, poniżej którego przechodzą w stan nadprzewodnictwa – z wnętrza nadprzewodnika jest całkowicie wypychane pole magnetyczne. Charakteryzują się dwoma polami krytycznymi: pierwszym (dolnym) polem krytycznym Hc1 drugim (górnym) polem krytycznym Hc2 Gdy znajdują się w polu zewnętrznym H < Hc1, to zachowują się jak nadprzewodniki I-go rodzaju (efekt Meissnera). Umieszczone w polu zewnętrznym Hc1 < H < Hc2 pozwalają wnikać polu do ich wnętrza w postaci wirów – jest to tzw. stan mieszany (współistnienie stanu normalnego i nadprzewodnictwa). Poddane działaniu pola H > Hc2 przechodzą w stan normalny.

Jak powstaje nadprzewodnictwo? Opór elektryczny jest wynikiem rozpraszania elektronów. W stanie nadprzewodzącym elektrony o dokładnie przeciwnym pędzie i spinie łączą się w pary (tzw. pary Coopera), oddziałując ze sobą poprzez fale sprężyste w sieci krystalicznej (fonony). Parze takiej odpowiada fala o nieskończonej długości, więc nie może być ona rozpraszana na sieci.

Dlaczego właśnie MgB2? Nadprzewodnictwo w MgB2 odkryto w 2001. Typowy BCS-owski nadprzewodnik. Tc = 39 K – wyższa niż związków o podobnej budowie oraz wyższa niż przewiduje teoria BCS (ok. 23 K). Stosunkowo duża długość koherencji ξ≈5,4 nm (nadprzew. wys. temp. maks. ξ≈ 3,5 nm ). W MgB2 występują dwie przerwy energetyczne, co jest niespotykane w ogromnej większości znanych materiałów nadprzewodzących. Ich występowanie ma wpływ na wiele właściwości MgB2, np. na wysoką Tc czy na temperaturową zależność anizotropii Hc2 monokryształów.

Schemat struktury krystalicznej MgB2

Badane próbki wykonany w ETH w Zürichu Polikryształ MgB2 (masa: 18,3 mg, wym.: 2x2x1,8 mm) wykonany w ETH w Zürichu 1. drobne płatki magnezu Mg i amorficznego boru B zmieszano i ściśnięto w kapsułkę w obecności argonu Ar 2. wygrzewanie przez kolejne godziny w temperaturach odpowiednio 600, 800 i 900 0C 3. umieszczenie w komorze ciśnieniowej, gdzie podnoszono ciśnienie do 35 kbar i jednocześnie zwiększano temperaturę do 1000 0C, wygrzewanie próbki przez godzinę 4. uzyskano polikrystaliczą próbkę MgB2 ze śladami Mg Epitaksjalna warstwa MgB2 (masa wraz z podłożem 2,8 mg, gr. < 100 nm, wym. 1,7x1,9 mm) wykonana w IEN „Galileo Ferraris” w Turynie 1. na cienką płytkę krzemową po obu jej stronach naniesiono warstwę SiN o grubości 500 nm 2. na jedną ze stron płytki nanosi się cienką warstwę nadprzewodnika, poprzez jednoczesne osadzanie się atomów magnezu i boru, w wyniku czego tworzy się sieć krystaliczna MgB2 3. otrzymana w ten sposób warstwa, używana w eksperymencie, miała mniej niż 100 nm grubości.

Co zostało zrobione? Pomiary namagnesowania w funkcji temperatury dla obu próbek temperatura krytyczna Tc dla obu próbek Pomiary namagnesowania polikryształu w funkcji pola oba pola krytyczne Hc1, Hc2 i pole nieodwracalności Hirr Pomiary momentu skręcającego w funkcji kąta (położenia) dla epitaksjalnej warstwy drugie pole krytyczne Hc2 i pole nieodwracalności Hirr

Wyznaczanie temperatury krytycznej Z pomiaru namagnesowania w stałym H przy zmiennej temperaturze wyznaczamy Tc, dla której na wykresie obserwujemy skok wartości namagnesowania. Krzywa ZFC Próbka schłodzona w H = 0 i pomiar w rosnącej temperaturze Krzywa FC Pomiar w H ≠ 0 z malejącą temperaturą Teoretyczna zależność namagnesowania próbki w funkcji temperatury. Krzywe ZFC i FC pokrywają się ® próbki bez defektów Duża różnica między FC i ZFC dużo defektów, więc duże wartości prądów krytycznych

Namagnesowanie próbki polikrystalicznej MgB2 w funkcji temperatury Tc≈38K FC ZFC H=1 Oe

Pole skierowane równolegle do warstwy Namagnesowanie próbki z epitaksjalną warstwą MgB2 w funkcji temperatury Pole skierowane prostopadle do warstwy H=100 Oe Tc≈30 K FC Tc≈30 K ZFC H=10 Oe Pole skierowane równolegle do warstwy

Prądy krytyczne w obu próbkach Porównanie kotwiczenia wirów w obu próbkach – wprowadzamy wielkość względnej zmiany namagnesowania zdefiniowaną następująco: ΔM(T) = (MFC (T))/MZFC (T), dla T < Tc Wtedy dla próbki polikrystalicznej mamy ΔMpoli(T)≈12% a dla cienkiej warstwy ΔMfilm(T)≈8% Zjawisko kotwiczenia w obu próbkach zachodzi na podobną skalę, jednak prądy mogące przepływać przez polikryształ są niższe.

Teoretyczna zależność namagnesowania próbki w funkcji przyłożonego pola. Hc1 Hirr Hc2

Namagnesowanie polikryształu MgB2 w funkcji pola przy stałej temperaturze - wyniki pomiarów

Zależność pierwszego pola krytycznego, pola nieodwracalności i drugiego pola krytycznego od temperatury dla polikryształu. Hc1(0) / Hc2(0) = 0,26% Hirr (0) / Hc2(0) = 70%, jest to typowe dla nadprzewodników charakteryzowanych dużym parametrem Ginzburga - Landaua.

Hc2llc < H < Hc2llab Namagnesowanie próbki w polach magnetycznych o różnej orientacji przestrzennej (efekt charakterystyczny dla próbek anizotropowych). Hllab M H Hllc Mllab Mllc θ [deg] θc2 θirr Δτ Magnetyczny moment skręcający Hc2llc < H < Hc2llab H M = 0, τ = 0 M M ≠ 0, τ = 0 θ M ≠ 0, τ ≠ 0

Schemat wspornika użytego w doświadczeniu (z broszury reklamowej Quantum Design ze strony www.qdusa.com)

Eliminacja wpływu tła Na mierzony sygnał momentu skręcającego składa się sygnał momentu pochodzącego od tła oraz momentu magnetycznego pochodzącego od próbki: f(900+x) = Tło(900+x) + τ(900+x) Zakładamy, że sygnał pochodzący od tła (np. siła ciężkości) jest symetryczny względem 900: Tło(900-x) = Tło(900+x) Natomiast sygnał pochodzący od magnetycznego momentu skręcającego jest antysymetryczny względem 900: τ(900-x) = - τ(900+x) Mamy zatem, że f(900+x) - f(900-x) = 2τ(900+x) f(900+x) + f(900-x)=2Tło(900+x) y kąt [deg]

Obróbka danych Sygnał otrzymany podczas pomiaru momentu skręcającego w T=15K i H=70 kOe. θ [deg] Tło wyliczone ze wzoru: f(900-x)+f(900+x)=2Tło(90+x) θ [deg] θirr Magnetyczny moment skręcający (po usunięciu wpływu tła). θ [deg] θc2 Magnetyczny moment skręcający bez PE (po uśrednieniu gałęzi). θ [deg]

Niektóre wyniki pomiarów Nie można odczytać θirr, ponieważ Hirrllc (4,2K)>90 kOe. Możemy więc oszacować Hirrllc(10 K)≈ 95 kOe. θ [deg] Hirrllab(20K)<90 kOe, gdyż próbka nie przechodzi w stan nadprzewodnictwa. Tło rzeczywiście jest symetryczne względem 900.

Wykresy funkcji Hirr(θ) w różnych temperaturach θ [deg] Hirrllc=68 kOe γ = 3,3 Hirrllc=35 kOe γ = 2,8 Zakładamy , że zależność pola nieodwracalności od kąta opisana jest tą samą funkcją, co zależność drugiego pola krytycznego. W teorii Ginzburga – Landaua zależność ta jest określona następującym równaniem: Hirr(θ) = Hirrllc( cos2θ + sin2θ / γirr2 )-1/2 , gdzie γirr = Hirrllab / Hirrllc . Zakładając anizotropię pól nieodwracalności γ≈3 otrzymujemy Hirrllab≈12 kOe θ [deg]

Wykresy zależności Hirrllab i Hirrllc od T Hirrllc(0)=110 kOe, Hirrllab(0)>400 kOe

Porównanie otrzymanych wyników Polikryształ: Hc1(0)=270 Oe, Hirr(0)=72 kOe, Hc2(0)=103 kOe, Tc=38 K Epitaksjalna warstwa: Hirrllc(0)=110 kOe, Hirrllab(0)>400 kOe, Tc=30 K Hc2llc(0)=160 kOe, Hc2llab(0)>570 kOe (Hc2llab/Hirrllab≈70%) Monokryształy: Hc2llc(0)=31 kOe, Hc2llab(0)=180 kOe, Tc=39 K Monokryształy z domieszką węgla Hc2llc(0)=100 kOe, Hc2llab(0)=450 kOe, Tc=34 K

Podsumowanie Wielkości charakteryzujące nadprzewodnik, takie jak temperatura krytyczna Tc, pierwsze i drugie pola krytyczne Hc1, Hc2, pole nieodwracalności Hirr silnie zależą od typu próbki. Cienkie warstwy mają mniejszą temperaturę krytyczną niż próbki polikrystaliczne. Porównując wyniki otrzymane dla cienkiej warstwy z danymi dla monokryształu oraz z danymi dla próbki krystalicznej z 6% zawartością węgla stwierdzamy, że cienka warstwa ma znacznie wyższe pola krytyczne w obu kierunkach od innych znanych próbek MgB2. Uzyskana przez nas wartość anizotropii epitaksjalnej cienkiej warstwy na poziomie 3 jest stosunkowo niewielka, co wiąże się z silnym kotwiczeniem wirów.