Fe掺杂SmBa<,2>Cu<,3>O<,7-δ>单晶与磁场诱导MgB<,2>超导体的磁通钉扎研究
超导磁通钉扎机制的认识一直是超导理论和应用研究的重要课题之一，特别是在高温氧化物超导体和近年人们新发现的MgB2超导体的强电应用面临重要突破的今天，该问题的研究和探索尤为迫切，成为当前凝聚态物理的热点课题。一方面，从基础研究角度来看，量子磁通涡旋本身反映了超导体从正常态芯到超导态外围的结合与过渡，可为高温超导机理研究提供一个新的有益的视角；另一方面，从应用研究角度来看，许多超导材料和器件的实用性都依赖于超导体的磁通钉扎性质。本文利用磁输运测量，主要以Fe掺杂Sm-Ba-Cu-O单晶和磁场诱导生长MgB2超导体的超导涡旋线运动为具体研究对象，同时研究了半掺杂锰氧化物Nd0.5Ca0.5MnO3的结构和物性，主要内容为：
一、研究了Fe替代SmBa2Cu3O7-δ超导单晶的峰效应与临界电流特性。对Tc附近磁化曲线的测量存在典型的峰效应，从Bean模型出发，我们计算了不同温度下的临界电流特性，发现在本实验的掺杂范围内，Fe含量没有明显改变材料的临界电流特性。这里，对未进行Fe替代的Sm过量Sm-Ba-Cu-O样品，超导转变温度Tc=92.4K，在Tc以下到2 K的整个温区都出现临界电流峰效应，从磁通动力学理论出发，这种峰效应可以按照硬磁通线的唯象假设给予自洽地解释，该假设同时也解释了临界电流在同一约化磁场下达到峰效应最大值的现象。结构分析表明，Fe掺杂Sm-Ba-Cu-O单晶样品具有很好的单相各向异性结构特征。对Fe掺杂0.5g单晶样品而言，Fe的微量掺入使得样品的超导转变温度Tc从92,4 K降至66.7 K，临界电流密度与未掺杂样品相比未观察到显著变化。对不同方向外加磁场下磁滞回线测量结果表明，当测量磁场H平行于ab面时，磁化曲线峰效应的峰谷到峰节处的磁场跨度较H垂直于ab面时的跨度随测量温度的降低而增大：而H平行于ab面时的磁化强度值远小于H垂直于ab面时的磁化强度，所有测量温度点这种磁化强度值的平均差别约为7到8倍。对Fe掺杂1.5g的SmBa2Cu3O7-δ超导单晶样品，磁化测量结果表明在2 K以上温区没能观察到超导电性，表明Fe掺杂对超导电性具有强的抑制作用，同时证明了掺杂Fe所引入的磁性杂质未能起到钉扎中心的作用，而是通过替代部分CuO2面上的Cu位，导致的磁拆对作用使得Sm-Ba-Cu-O超导性被抑制，既没有提高Sm123超导相的载流能力，也没能增加超导体的临界电流密度。这一结果为磁拆对机制提供了直接的实验证据。二、研究了磁场诱导技术制备的MgB2超导体的磁通跳跃行为。对不同制备磁场和不同制备温度下的MgB2样品结构分析表明，随着诱导磁场的增加晶格参数a逐渐减小，晶格参数c未可观察的变化，并随诱导磁场的增加晶格畸变发生、晶粒尺度变大。实验发现，在2 T和4 T的低诱导磁场下，首次磁通跳跃均发生在11K，当诱导磁场增大到6 T时，首次磁通跳跃发生在13K。根据这种不同诱导场下首次磁通跳跃温度的变化，从热力学理论出发，证明诱导磁场在一定程度上使晶格发生了畸变。从样品的磁化曲线出发，通过利用差分计算磁通跳跃规律，证明MgB2的磁通跳跃行为是磁通线的运动导致样品局部过热，从而使得样品失超从而使得磁通跳跃发生。与Sm123超导体系相比较，MgB2的磁通跳跃温度要高10K左右，这是因为的MgB2晶胞结构相对Sm123体系晶胞结构简单，再加上外场的诱导，致使MgB2晶体排列更整齐，形成大尺度的晶粒，提高了样品的磁通跳跃温度，这对磁通跳跃性质的研究提供了非常便利的实验温度；由于不是同一类超导体，MgB2的磁通跳跃和Sm123系的磁通跳跃机理也有所不同，Sm123系的磁通跳跃在磁场增加到最大的时候仍然会出现磁通跳跃，而实验所有测量的MgB2样品的跳跃区域全部是集中在2T磁场范围之内，这是由于制备外场诱导使得MgB2内磁通线排布整齐，高测量场下已经不会发生方向扭转从而不会发生磁通碰撞产生热量导致磁通跳跃行为的出现。
三、研究了具有相分离特征的半掺杂Nd0.5Ca0.5MnO3体系的再入型自旋玻璃行为。输运测量表明体系存在很好的庞磁电阻效应；磁测量发现，样品的奈尔温度TN和电荷有序转变温度TCO分别在150K和240K左右，其交流热磁曲线在41K时出现峰值，低场下直流热磁ZFC曲线和FC曲线发生明显的分叉现象，表明低温下样品出现相分离现象，由于铁磁与反铁磁相竞争的失挫，导致了Nd0.5Ca0.5MnO3样品在41K出现了自旋玻璃转变，且表现出再入型的自旋玻璃行为。同时，观察到了样品在直流低场下ZFC曲线中出现了负磁化强度异常，表明Nd0.5Ca0.5MnO3体系在低温下存在着典型的相分离和多种复杂的磁相互作用竞争机制。该结果为强关联锰氧化物物理机制的理解提供了有价值的实验资料。
高温氧化物;硼化镁超导体;磁通钉扎性质;铁掺杂;磁输运测量;超导涡旋线运动;半掺杂锰氧化物
上海大学
硕士
凝聚态物理
张金仓
2008
中文
TM262;O493.4
89
2009-02-16（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）