Piotr Juszyński Konrad Kapcia

Prezentacja na temat: "Piotr Juszyński Konrad Kapcia"— Zapis prezentacji:

1 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

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

3 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.

4 Nadprzewodniki I-go i II-go rodzaju
H<Hc Hc1<H<Hc 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.

5 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.

6 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.

7 Schemat struktury krystalicznej MgB2

8 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 C, 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.

9 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

10 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

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

12 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

13 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.

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

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

16 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.

17 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

18 Schemat wspornika użytego w doświadczeniu (z broszury reklamowej Quantum Design ze strony

19 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]

20 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]

21 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.

22 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]

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

24 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

25 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.