Измерение критических токов в керамическом сверхпроводнике резистивным методом

Александр А. Грибовский
Научный руководитель к.ф.м.н. Макаршин Л. Л., ИК СО РАН

Тезисы

1. В работе описаны результаты исследования высокотемпературной керамики Bi₂Ba₂Sr₂Cu₃O_x. Получены вольт-амперные характеристики сверхпроводящего образца при температурах ниже температуры сверхпроводящего перехода, определена зависимость критического тока в сверхпроводнике от температуры.
2. Для широкого практического применения сверхпроводящих материалов необходима их высокая токопропускная способность и высокая температура сверхпроводящего перехода. Поэтому важно изучать зависимость этих параметров от внешних условий. Так же интерес к этим исследованиям повышается из-за отсутствия общей теории сверхпроводящего состояния
3. Исследования проводились при помощи четырехзондового метода измерения сопротивлений. При этом проблема теплового перегрева образца была решена при изготовлении сужения в центре образца.
4. Определена температура Т_с сверхпроводящего перехода исследуемого образца ( Т_с=103К, получена зависимость сопротивления образца от температуры. Сняты вольт-амперные характеристики сверхпроводящей керамики при различных температурах. При температурах меньших Тс вольт-амперная характеристика нелинейна. Была получена зависимость критической плотности тока в сверхпроводнике от температуры. J_с=62(1-T/103)^1.2. В соответствии с теорией был определен тип прослойки между гранулами сверхпроводника. Оказалось, что это диэлектрическая прослойка. Полученный параметр степени N=1.2 может быть использован при дальнейших исследованиях данного образца.
5. Выводы. Исследована высокотемпературная сверхпроводящая висмутовая керамика Bi₂Ba₂Sr₂Cu₃O_x, получены ее важнейшие характеристики, а так же данные для ее дальнейшего исследования.

Введение

Несмотря на то, что явление сверхпроводимости было открыто достаточно давно, еще в 1911 году, максимальная температура сверхпроводящего перехода до 1987 года продолжала оставаться равной 23К. Казалось, что эта температура является верхним пределом для температуры сверхпроводящего перехода в известных металлах. Однако положение вдруг изменилось. В 1987 году Дж. Беднорцем и К. А. Мюллером была открыта оксидная структура La-Ba(Sr)-Cu-O, у которой сверхпроводимость наступала уже при 30-40К. Вскоре после этого оксиды состава Y-Ba-Cu-O продемонстрировали сверхпроводящий переход уже при температуре 95К, что выше температуры кипения жидкого азота.

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости на оксидных системах произвело сенсацию, которая сравнима только с открытием транзистора. Это связано с тем, что подобные материалы имеют огромное техническое применение при строительстве магнитов, в электронике, электротехнике, энергетике и других важнейших отраслях науки и техники. Однако для широкого практического применения сверхпроводящих материалов необходима не только высокая критическая температура, но и высокая токопроводящая способность. Поэтому критическая плотность тока является одним из важнейших параметров сверхпроводящих материалов.Вместе с тем исследование процессов токопереноса представляет интерес и с физической точки зрения, так как позволяет получить дополнительную информацию о некоторых параметрах сверхпроводящего состояния.

Целью настоящей работы является исследование токонесущей способности керамического образца и установление характера проводимости межгранульных промежутков.

Теория

Первые образцы высокотемпературных сверхпроводников были получены в виде керамик, и характеризовались очень низким значением критической плотности тока в диапазоне 1-1000 А/см², хотя для пленочных монокристальных сверхпроводников это значение порядка 10⁶-10⁷ А/см². Величина критического тока сильно зависит от условий и технологии изготовления высокотемпературного сверхпроводника. Это и неудивительно, поскольку структуру керамического сверхпроводника можно считать как систему неупорядоченно расположенных и хаотически ориентированных монокристаллических гранул, слабо связанных между собой. Существует, по-видимому несколько механизмов формирования этих слабых связей, наиболее существенным из которых является образование джозефсоновских переходов на границах зерен. Классический джозефсоновский переход представляет собой контакт двух сверхпроводников с тонкой несверхпроводящей прослойкой порядка размера куперовской пары (x"A), которая, в общем случае может быть слоем диэлектрика или нормального металла. Это структуры S-I-S, S-N-S и S-N-I-N-S типа. S - высокотемпературный сверхпроводник, N - слой нормального металла или сверхпроводника с более низкой критической температурой, I - слой полупроводника или диэлектрика. Наличие слабых связей приводит к тому, что величина критического тока в сверхпроводнике определяется предельным током, протекающим в между гранулами. И плотность межгранульного критического тока ICJ на несколько порядков меньше внутригранульной критической плотности тока ICG.

Температурная зависимость межгранульного критического тока близка к прямой при высокой температуре и насыщается при понижении температуры. При изучении влияния размеров гранул на величину критического межгранульного тока при нулевом внешнем магнитном поле сильной корреляции между критическим током и величиной гранул не обнаружилось. Конкретный тип джозефсоновских структур, формирующихся на границах зерен, можно идентифицировать при помощи анализа температурных зависимостей критических токов в сверхпроводнике.

Методика измерений

Основными методами измерения при определении критической плотности тока в сверхпроводнике являются две группы методов: контактные и бесконтактные. Бесконтактные методы в большинстве своем базируются на принципе измерения магнитного момента. Контактные же методы реализуются при помощи четырехточечной схемы с использованием импульсного или стационарного режимов измерения.Обычно стационарные методы точнее импульсных, хотя и при этом составляет проблему тепловой перегрев исследуемого образца, но эта проблема успешнорешается при уменьшении контактного сопротивления и изготовлении сужения в центре образца.

Суть контактного метода заключается в том, что на плоской поверхности образца на одной прямой делаются четыре контакта. Через два крайних контакта пропускается ток I (токовые контакты), а с двух средних снимается напряжение V (потенциальные контакты).Чувствительность такой системы пропорциональна величине I/l, где l - расстояние между контактами.Этот метод, в основном, примечателен тем, что точность измерения сопротивления образца сопротивление подводящих проводов, сравнимое с сопротивлением самого образца, никак не влияет.Используя данный метод можно снимать вольт-амперные характеристики сверхпроводника при различных температурах, а затем, по ним можно будет определить критический ток.

Описание установки

В данной работе для измерения критических токов в сверхпроводнике используется следующая установка:

На подставке находится столик, одновременно являющийся и нагревателем. На столике располагается исследуемый образец, к которому подсоединяются токовые и потенциальные контакты. Для измерения температуры сверхпроводника используется термопара, один конец которой приведен в непосредственное соприкосновение с образцом, а другой же находится в жидком азоте. Столик со сверхпроводником сверху накрывается защитным колпаком с таким расчетом, чтобы исследуемый образец не находился в жидком азоте (т. к. при этом бессмысленно что-либо нагревать - будет просто испаряться жидкий азот). Вся эта система погружается в сосуд Дьюара и охлаждается до температуры сверхпроводящего перехода.

Рассмотрим подробнее исследуемый образец.Высокотемпературная сверхпроводящая керамика Bi₂Ba₂Sr₂Cu₃O_x, приклеивается к подложке из точно такой же керамики, что дает возможность изготовить тонкий мостик из сверхпроводника, и при этом сама подложка никак не влияет на исследование свойств самого образца Сверху на сверхпроводник напыляется тонкий слой серебра, в котором потом выпиливаются токовые (U) и потенциальные (I) контакты. Токовые контакты I подсоединяются через известное сопротивление R к регулируемому источнику тока, а напряжение с сопротивления R подается на вход X самописца. На вход Y самописца поступает напряжение непосредственно с потенциальных контактов U сверхпроводника.Таким образом, с помощью данной установки можно снимать вольт-амперные характеристики сверхпроводников при различных температурах.

Описание эксперимента

На данной установке будем измерять критические токи в сверхпроводнике следующим образом. Подадим на токовые контакты напряжение с источника тока. Силу тока будем изменять с помощью транзисторного ключа, подключенного к программатору. Напряжение с сопротивления подадим на вход Х самописца (это напряжение пропорционально току, протекающему через сверхпроводящий образец). Потенциальные контакты подключим непосредственно ко входу Y самописца. При таком подключении уже можно снимать вольт-амперную характеристику сверхпроводника. Сначала снимем вольт-амперную характеристику сверхпроводящего образца при комнатной температуре(рис.2).

Рис.2. Вольт-амперная характеристика сверхпроводящей
керамики Bi₂Ba₂Sr₂Cu₃O_x при комнатной температуре.

Получится прямая, тангенс угла наклона которой есть сопротивление образца при комнатной температуре. Рассчитаем это сопротивление. Теперь пропустим через образец определенный ток ( I=5 mA) и начнем охлаждение жидким азотом. Построим зависимость сопротивления образца от температуры (рис.3) следующим образом: на вход X cамописца подадим усиленное напряжение с термопары, а на вход Y подадим напряжение с токовых контактов сверхпроводника (по этому напряжению, зная ток, протекающий через сверхпроводник, можно определить сопротивление образца).
Рис.3. Зависимость сопротивления образца от температуры.

После того, как сверхпроводник охладится до температуры жидкого азота, отключаем термопару от усилителя и подключаем ее к вольтметру, по которому, зная зависимость напряжения термопары от температуры, будем контролировать температуру сверхпроводящего образца. А на вход Y самописца обратно подадим напряжение с сопротивления. После этого снимем вольт-амперные характеристики сверхпроводника при различных температурах (рис.4), изменяя температуру при помощи столика-нагревателя.При проведении данного эксперимента были получены следующие результаты:
Рис.4. Результаты измерений

Построили вольт-амперную характеристику сверхпроводящей керамики Bi₂Ba₂Sr₂Cu₃O_x, при комнатной температуре (рис.2). Зависимость сопротивления образца от температуры показана на рис.3. Семейство вольт-амперных характеристик образца при различных температурах ниже температуры сверхпроводящего перехода изображено на рис.4.

Обработка результатов

Исходя из рис.2 можно определить сопротивление сверхпроводника при комнатной температуре - это есть тангенс угла наклона полученной кривой R(300К)=0.5 Ом. Из рис.3 можно определить температуру перехода в сверхпроводящее состояние висмутовой керамики Bi₂Ba₂Sr₂Cu₃O_x. Тс=103К. Из рис.4 определим зависимость критической плотности тока от температуры в сверхпроводящей керамике, зная площадь сечения мостика (S=0.152 мм²). Представим эту зависимость в виде таблицы (Таблица 1) и в виде графика (рис.5).
Рис.5. Зависимость критической плотности тока в
сверхпроводнике от температуры.

На рис.5 приведены экспериментальные данные (р) и теоретическая зависимость (сплошная линия), которая аппроксимируется уравнением I=A(1-T/Tс)^N. Из сопоставления теории с экспериментом получили значения А = 62, N = 1.2. Tо есть зависимость критического тока в сверхпроводящей керамикe Bi₂Ba₂Sr₂Cu₃O_x определяется следующим уравнением:

I_кр=62(1-T/103)^1.2

Исходя из значения N = 1.2 можно, согласно теории, определить тип джозефсоновского перехода на границах гранул сверхпроводника: это тип S-I-S, то есть сверхпроводящие гранулы разделены между собой тонкой диэлектрической прослойкой.

Выводы

1. Получили зависимость сопротивления сверхпроводящего образца Bi₂Ba₂Sr₂Cu₃O_x от температуры. По этим данным определили температуру сверхпроводящего перехода Т_c=103К.
2. Измерили вольт-амперные характеристики сверхпроводящей керамики при температуре 300К и при температурах ниже температуры сверхпроводящего перехода. Обнаружили, что до температуры cверхпроводящего перехода вольт-амперные характеристики cверхпроводника подчиняются закону Ома и исходя из этого измерили сопротивление сверхпроводящего мостика R(300R)=0.5 Oм. Ниже температуры сверхпроводящего перехода вольт-амперная характеристика нелинейна. До определенных значений тока напряжение на мостике равно "нулю". Исходя из этих данных были измерены величины критических токов в сверхпроводнике при различных температурах (Таблица 1).
   Таблица 1. Зависимость критической плотности тока от температуры.
3. Из сопоставления экспериментальной зависимости критического тока от температуры с теоретической моделью межгранульной проводимости сделали вывод, что между гранулами сверхпроводящего образца находится диэлектрическая прослойка.

ЛИТЕРАТУРА

1. Химия оксидных сверхпроводников. Под ред. Ч. Н. Р. Рао. 1993 г.
2. Ильичев В. И. Высокотемпературная сверхпроводимость керамических систем. 1992 г.
3. Физические свойства высокотемпературных сверхпроводников. 1990 г.
4. Мнеян М.Г. сверхпроводники в современном мире. 1991 г.