Научной группой МИФИ смоделирован процесс перемагничивания слоистых высокотемпературных сверхпроводников

Сверхпроводники второго рода являются перспективными материалами для различных приложений, в частности, для получения сильных (>10 Тл) магнитных полей. В таких соединениях разрушение сверхпроводимости собственным полем транспортного тока происходит за счет перекрытия нормальных сердцевин вихрей Абрикосова и наступает при существенно большем магнитном поле, чем в сверхпроводниках первого рода (к которым относится большинство металлов).

Создание сверхпроводящих кабелей и лент (используемых в том числе в обмотках магнитов) требует соединений, переходящих в сверхпроводящее состояние при возможно более высокой температуре и имеющих хорошие транспортные характеристики, такие как плотность критического тока. Для этой цели в настоящее время наиболее широко применяются слоистые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) Bi2Sr2CaCu2Ox (Bi-2212); Bi2Sr2Cа2Cu3Ox (Bi-2223) и YBa2Cu3O7 (Y-123). Данные соединения обладают анизотропией, обусловленной кристаллической структурой; за сверхпроводимость в основном отвечают плоскости Cu-O, разделенные интеркалирующими слоями. Величина параметра анизотропии является характеристикой сверхпроводника и известна для большинства применяемых на практике соединений. В этих же плоскостях формируется решетка вихрей Абрикосова, ответственных за магнитные и транспортные свойства образца. Анизотропия соединения характеризует величину Джозефсоновской связи, возникающей между слоевыми вихрями (так называемыми пэнкейками) в соседних плоскостях и, следовательно, жесткость вихревой нити и ее способность закрепляться на различные рода дефектах (пиннинг). При пропускании тока через образец, находящийся в смешанном состоянии, возникают силы взаимодействия между током и магнитным полем, распределение тока изменяется и вихри начинают перемещаться. Однако перемещение нормальной сердцевины вихря сопровождается выделением тепла и, следовательно, появлением сопротивления. Ток, при котором начинается движение вихрей, называется критическим. Для повышения критического тока на практике требуется создание оптимальной дефектной структуры, обеспечивающей наиболее эффективный пиннинг, поэтому решающее значение приобретает анализ поведения вихревой решетки и возможность предсказывать магнитные и транспортные свойства образца в зависимости от различных факторов, таких как температура, анизотропия и дефекты различной природы.

Слоистые высокотемпературные сверхпроводники описываются моделью Лоренса-Дониака, которая является обобщением теории Гинзбурга-Ландау для анизотропного случая, когда сверхпроводящие слои не скоррелированы и в выражении для свободной энергии необходимо использовать разность волновых функций сверхпроводящих электронов в соседних слоях. Вихревая нить в такой модели представляется в виде стопки плоскостных вихрей (пэнкейков), связанных межслоевым взаимодействием.

Научной группой под руководством профессора кафедры физики твердого тела и наносистем В.А. Кашурникова на основе метода Монте-Карло был создан и реализован алгоритм, позволяющий воспроизводить перемагничивание и оценивать транспортные характеристики слоистого анизотропного сверхпроводника с учетом влияния межплоскостной связи.

«Отличительной особенностью алгоритма является возможность учитывать взаимодействие вихря с мейсснеровским током, работать с переменным числом вихрей, допуская рождение и уничтожение вихрей вблизи границы сверхпроводника. Кроме того, у границы допускается появление неполной вихревой нити (с числом пэнкейков, меньшим числа рассмотренных сверхпроводящих слоев). Таким образом, становится возможным без искусственных допущений моделировать проникновение магнитного потока с границы и анализировать влияние на данный процесс различных факторов», – прокомментировал В.А. Кашурников.

В рамках данной модели было исследовано перемагничивание полем транспортного тока сверхпроводника с центрами пиннинга, соответствующими дефектам, которые получаются при облучении образца нейтронами (точечные дефекты) и высокоэнергетичными ионами (столбчатые дефекты; столбчатые дефекты могут быть как перпендикулярны сверхпроводящим плоскостям, так и составлять произвольный угол с ними). Для сверхпроводника со столбчатыми наклонными дефектами расчетным путем было показано, что критический ток уменьшается с увеличением угла наклона при малых значениях анизотропии, характерных для иттриевых ВТСП, и не зависит от наклона при высокой анизотропии, характерной для ВТСП на основе висмута. Значение анизотропии, при котором перестает наблюдаться данная зависимость, обусловлено соотношением между глубиной потенциальной ямы дефекта и приращением энергии при отклонении пэнкейков от оси вихря на расстояние, сравнимое с расстояниями между составляющими наклонный точечными дефектами в соседних слоях.

Результаты расчетов качественно согласуются с расчетами других научных групп и известными экспериментальными данными. Алгоритм позволяет последовательно вводить в расчет различные факторы, способные повлиять на критический ток, и отдельно исследовать влияние каждого фактора в широком диапазоне характеризующих его параметров. Расчеты могут быть использованы для интерпретации экспериментальных данных, оценки транспортных свойств реальных ВТСП-лент с заданным типом центров пиннинга и при планировании новых экспериментов.

Полный текст статьи доступен по ссылке http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/43336 .