Одной из основных характеристик сверхпроводников является критическая плотность тока J_c (и, соответственно, критический ток I_c). В купратных ВТСП величина J_c при H=0 очень большая, но с ростом H быстро уменьшается, что ограничивает использование ВТСП в силовых электрических устройствах и обмотках мощных магнитов при температуре жидкого азота. Для увеличения J_c в сверхпроводник намеренно вводят дефекты – центры пиннинга, которые препятствуют свободному перемещению магнитных вихрей, приводящему к диссипации энергии. Задача состоит в определении оптимальных размеров и формы центров пиннинга, а также их количества и расположения в образце

После ионного облучения монокристаллов YBa₂Cu₃O₇ наблюдается существенное увеличение J_c, из чего можно сделать вывод, что радиационные дефекты, имеющие форму длинных узких “столбиков”, являются эффективными центрами пиннинга магнитного потока. У эпитаксиальных пленок YBa₂Cu₃O₇ величина J_c в 2 ¸ 3 раза больше, чем у монокристаллов. Микроскопия показала, что по сравнению с монокристаллами дефектная микроструктура пленок гораздо богаче. Это навело сотрудников Los Alamos National Laboratory (США) на мысль, что комбинация нескольких различных сортов дефектов может привести к “конструктивной интерференции” вкладов в силу пиннинга от каждого из них. Они разработали методику изготовления пленок YBa₂Cu₃O₇, содержащих включения примесной фазы BaZrO₃ двух типов: хаотически распределенные наночастицы и ориентированные преимущественно в одном направлении (но под небольшим углом друг к другу) “столбики” [1]. Соотношение между концентрациями этих дефектов можно регулировать, просто изменяя температуру T0 подложки и скорость роста пленки в процессе ее лазерного осаждения, что связано с различной кинетикой формирования пленки. Совместный анализ зависимостей J_c от H и микроструктуры пленок, полученных при различных условиях, показал, что J_c в сильном поле максимальна в том случае, когда количество наночастиц и “столбиков” примерно одинаково (рис. 1).

Рис. 1. Включения BaZrO₃ в пленках YBa₂Cu₃O₇, полученных при различных температурах подложки T₀ = 840⁰С, 785⁰С, 765⁰С . Рисунок сделан на основании данных просвечивающей электронной микроскопии. Красные линии – предполагаемое расположение магнитных вихрей, прикрепленных одновременно к нескольким центрам пиннинга. Масштабная шкала 25нм

Это имеет место при T₀ = 785 – 800^оС. Полученные результаты авторы [1] объясняют подавлением крипа магнитного потока, обусловленного расширением двойного кинка на вихре, который прикреплен одновременно к двум “столбикам” (рис. 2). Они полагают, что причиной более низкой J_c монокристаллов, облученных тяжелыми ионами, является отсутствие в них наночастиц, которые являются гораздо более эффективными центрами пиннинга, чем точечные радиационные дефекты, образующиеся при облучении вместе со “столбиками”. Таким образом, основной вклад в силу пиннинга дают столбчатые дефекты, а “вспомогательный” пиннинг на наночастицах препятствует крипу. Для практически целей очень важно и то, что в пленках, полученных по оптимальной технологии, величина J_c практически не зависит от ориентации магнитного поля относительно нормали к поверхности пленки.

Рис. 2. Иллюстрация механизма крипа магнитного потока за счет расширения двойного кинка на магнитном вихре, прикрепленном к двум соседним столбчатым дефектам: a – если дефекты параллельны друг другу, то кинк быстро расширяется; b – разориентация дефектов затрудняет расширение кинка; c – наличие наночастиц полностью подавляет этот механизм крипа.

Чего явно недостает работе [1] – так это строгого теоретического анализа влияния “ландшафта пиннинга” на J_c. Но в этом нет вины ее авторов. Ведь практически все известные модели пиннинга основаны на идеализированных представлениях об ответственной за пиннинг дефектной микроструктуре сверхпроводников. Для дальнейшего развития теории необходимо учесть “синергетический эффект” при взаимодействии магнитных вихрей с дефектами разного типа и отказаться от парадигмы “один вихрь – один дефект”.

Л. Опенов

• 1. B.Maiorov et al., Nature Mater. 8, 398 (2009)