Superconducting transition in (Bi,Pb)4Sr3Ca3Cu4Ox

M. Gazda1, B. Kusz1, S. Stizza2, R. Natali2, V. Di Stasio2

1Faculty of Applied Physics & Mathematics, Gdansk University of Technology, Poland 2Dipartimento di Matematica e Fisica, Università di Camerino, INFM, Italia

 

Cel badań

Badanie przejścia do stanu nadprzewodzącego w materiale zbudowanym z małych granul nadprzewodnika rozłożonych w nienadprzewodzącej matrycy.

Plan

1. Badane materiały.2. Przejście nadprzewodzące w materiałach

granulastych.3. Wyniki pomiarów (T).4. Temperatury krytyczne.5. Analiza wyników metodą pochodnej logarytmicznej

przewodnictwa.6. Podsumowanie.

Badane materiały

1. Szkło (Bi0.8Pb0.2)4Sr3Ca3Cu4Ox otrzymano tradycyjną metodą: azotany, węglany i tlenki) po zmieszaniu zostały poddane dekompozycji (820°C, 12 godzin).

2. Po kolejnym zmieleniu, zdekomponowane substraty zostały stopione (1250C) w tyglu platynowym, a następnie szybko ochłodzone.

Badane materiały

3. Próbki w postaci płytek o wymiarach około

2mm*1mm*8mm umieszczono w gorącym piecu na pewien czas a następnie szybko wyjmowano. Warunki wygrzewania: – próbka 1 : 830C, 1 minuta– próbka 2: 860C, 2 minuty

Badane materiałyOCuCaSrBi (Pb)

2223 2212 2201

W rezultacie wygrzewania, materiał krystalizuje. Formują się w nim nadprzewodniki wysokotemperaturowe należące do rodziny bizmutu.

Szczególnie 2212

Badane materiały

1. Materiał jest nadprzewodnikiem granulastym, zbudowanym z granul nadprzewodzących rozmieszczonych w matrycy izolatora lub półprzewodnika.

Badane materiały

860oC, 2 minuty ( 0.3 m )820oC, 2 minuty (20-40 nm)

Przejście nadprzewodzące w materiale granulastym

0 50 100 150 200 250 300

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4[

cm

]

T [K]

szerokie, czasem podwójne

Przejście nadprzewodzące w materiale granulastym

0 50 100 150 200 250 300

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

[c

m]

T [K]

0 50 100 150 200 250 300

0.00

0.01

0.02

T2

T1

d/d

T

Przejście nadprzewodzące w materiale granulastym

1. T1 : większość izolowanych granul przechodzi do stanu nadprzewodzącego.

2. T2 : powstaje uporządkowanie dalekiego zasięgu prowadzące do stanu o zerowym oporze.

0 20 40 60 80 100 120

0.00

0.01

0.02

d/d

T

T [K]

T2

T1

860oC, 2 min

Wyniki pomiarów

1. Próbka wygrzewana w temperaturze 830oC przez 1 minutę: pomiary dla różnych wartości prądu płynącego przez próbkę(od 0.3x10-4A/cm2).

2. Próbka wygrzewana w temperaturze 860oC przez 2 minuty: pomiary w słabym polu magnetycznym (do 2 T)

Wyniki pomiarów

1. Próbka wygrzewana w temperaturze 830oC przez 1 minutę:

0 20 40 60 80 100 120

0.0

0.1

0.2

0.3

10 mA

6 mA4 mA

[c

m]

T [K]

200 A

1 mA

Wyniki pomiarów

1. Próbka wygrzewana w temperaturze 830oC przez 1 minutę:

0 20 40 60 80 100 120-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

10 mA

6 mA

4 mA

d/d

T

T [K]

200 A

Wyniki pomiarów

1. Próbka wygrzewana w temperaturze 830oC przez 1 minutę:

I Tonset T1 T2

1 - 200A 93 - 95 85.5 55.9

1 mA 95 84.4 55.7

4 mA 95.1 85.1 54.7

6 mA 94.3 84 52.4

10 mA 94 85 50.1

Temperatura krytyczna T1

1. W badanych materiałach granulastych nie zależy od prądu płynącego przez próbkę.

2. Wartość temperatury krytycznej, około 85 K jest typowa dla fazy 2212. Nie obserwuje się zatem wpływu wielkości granul nadprzewodzących na temperaturę krytyczną.

Temperatura krytyczna T2

1. W badanych materiałach granulastych silnie zależy i od prądu płynącego przez próbkę.

2. Ta temperatura wynika z „jakości” złącz między granulami, które z kolei zależą od mikrostruktury materiału. W przypadku konwencjonalnych nadprzewodników granulastych stwierdzono związek między T2 a oporem materiału w stanie normalnym1. Prąd krytyczny złącz jest mały.

1O. Entin-Wohlman, A. Kapitulnik and Y. Shapira Physica 107B (1981), 125.

Wyniki pomiarów

2. Próbka wygrzewana w temperaturze 860oC przez 2 minuty:

0 40 80 120 160 200

0

1

2

3

4

5

0 T 0.08 T 0.125 T 0.5 T 1 T

[c

m]

T [K]

Wyniki pomiarów

2. Próbka wygrzewana w temperaturze 860oC przez 2 minuty:

B [T] Tonset T1 T2

0 92.6 85 60.8

0.08 92.5 84.4 60.2

0.125 92.5 81.7 36.7

0.5 92.5 76.6 22.5

1 91.7 72.8 21.5

2 92 70.6 21.2

Temperatura krytyczna T1

1. Już bardzo słabe pole magnetyczne (0.125 T) znacząco obniża temperaturę krytyczną. Granule 0.3 m są tego samego rzędu, co głębokość wnikania pola magnetycznego.1

1 X.Y. Lang and Q. Jiang, Solid State Commun. 134 (2005), 797.

Temperatura krytyczna T2

1. Bardzo szybko maleje w polu magnetycznym, ponieważ prąd krytyczny złącz jest mały i silnie zależy od pola magnetycznego.

Analiza wyników

Dwuetapową naturę przejścia nadprzewodzącego w materiałach granulastych można wyeksponować poprzez analizę wyników za pomocą wielkości:

dTd )(ln

gdzie jest różnicą między mierzoną wielkością przewodnictwa a przewodnictwem obliczonym na podstawie zależności wysokotemperaturowych, R.

Analiza wyników

Zakładając, że przejście do stanu nadprzewodzącego jest przemianą fazową II rodzaju, powstawanie uporządkowania dalekiego zasięgu można w pobliżu przejścia wyrazić jako wykładniczą zmianę długości koherencji. Jako miarę koherencji można przyjąć .

gdzie d jest wymiarem (=3), a z dynamicznym wykładnikiem opisującym zanik korelacji w czasie.

zd 2

Analiza wyników

Wiedząc, że odległość koherencji zależy wykładniczo od temperatury:

gdzie jest wykładnikiem statycznym.

c

c

T

TT

Analiza wyników

Zatem:

czyli wykładnik s, który zależy od natury fluktuującego układu, można wyznaczyć doświadczalnie.

scTT )( )2( dzs

)(11

cTTs

dT

d )(ln

Analiza wyników

0 20 40 60 80 100

0

10

20

30

B = 1 T

B=0.08 T

B=0T-1

Temperature [K]

20 40 60 80

0

5

10

15

1 mA

200 A

-1

Temperature [K]

Analiza wyników

0 20 40 60 80 100

0

10

20

30

B = 1 T

B=0.08 T

B=0T

-1

Temperature [K]

Przebieg zależności jest typowy dla materiałów granulastych.

Minimum po wysokotemperaturo-wej stronie wykresu odpowiada temperaturze krytycznej T1.

Następnie, obserwuje się maksimum o wielkości zależnej od pola magnetycznego, a następnie liniowy spadek aż do osiągnięcia stanu o zerowym oporze.

Analiza wyników

0 20 40 60 80 100

0

10

20

30

B = 1 T

B=0.08 T

B=0T

-1

Temperature [K]

Szerokość stanu parakoherentnego jest bardzo duża, rozciąga się na 40 K (w typowych ceramikach jest to kilka K).

Szerokość tego obszaru rośnie wraz z polem (dla słabych pól), a także prądem płynącym przez próbkę.

Analiza wyników

0 20 40 60 80 100

0

10

20

30

B = 1 T

B=0.08 T

B=0T

-1

Temperature [K]

Zwraca uwagę nietypowe1 zachowanie w polu magnetycznym.

1F.W. Fabris, J. Roa-Rojas and P. Pureur, Physica C 354 (2001), 304.

Analiza wyników

Wykładniki otrzymane z analizy przejść nadprzewodzących dla małych prądów oraz bardzo słabych pól magnetycznych wynoszą około 4.4.

B [T] s (±0.3) I s (±0.3)

0 4.3 200 A 4.40.08 4.2 1 mA 5.50.125 1.90.5 1.81 22 1.8

Analiza wyników

Wykładniki o wartości około 4.4 obserwowano również w innych nadprzewodnikach granulastych. Wciąż toczy się dyskusja na temat ich interpretacji.

Podsumowanie

1. Nawet materiał zawierający tylko kilka procent fazy 2212 w postaci izolowanych granul o rozmiarze kilkudziesięciu nm przechodzi do stanu nadprzewodzącego.

2. Temperatura krytyczna izolowanych granul zależy jedynie od pola magnetycznego.

3. Temperatura, w której powstaje uporządkowanie dalekiego zasięgu zależy i od pola magnetycznego, i od prądu.

Podsumowanie

4. Granularny charakter materiału ujawnia się wyraźnie w pochodnej logarytmu paraprzewodnictwa.

5. Nieoczekiwany wpływ słabego pola magnetycznego na przejście nadprzewodzące pokazuje, że badanie nadprzewodników wysokotemperaturowych zbudowa-nych z małych granul nadprzewodzących może ujawnić wiele ciekawych zjawisk..