（凝聚态物理专业论文）超导体磁滞回线峰效应的数值计算及其机理研究.pdf

东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 。， 摘要 摘要 本论文采用数值计算方法研究了磁通扩散过程、磁通钊扎和磁通蠕动对恒温磁滞同线的影响； 考虑到钌扎势砜和临界电流密度丘与磁场b 的关系，我们模拟出不同乩坷和六一b 关系下的恒温 磁滞回线，并对其中峰效应的产生机理进行了探讨。最后采用集体钉扎理论中的氇和丘一b 关系， 模拟出恒温磁滞回线，并将其与单晶凇口2 c “3 q 一占( 协口c “d ) 样品的磁测量结果进行了对比，进一 步证实前面对峰效应产生机理研究的正确性。主要内容如下： 第一章主要介绍了高温超导铜氧化物妮沁c “。q 一占和b f 2 吼c “2 d 8 + j 以及新发现的新型铁基 超导体的峰效厩，以及人们对峰效应的严生机理的各种解释，并从各个方面对比了商温超导铜氧化 物和铁基超导体及其峰效应。 第二章主要计算了理想临界态b e a n 模型和k i m - a n d e r s o n 模型下的恒温磁滞回线，分别研究了 这两种模型下临界电流密度以对恒温磁滞同线的形状和人小的影响，特别讨论了五随磁场变化对恒 温磁滞回线峰效应的影响。 第三章主要研究了磁通扩散过程对恒温磁滞回线的影响。首先用数值计算方法模拟出砜和丘 均与b 无关时的恒温磁滞同线，发现了零场峰效应，从磁通扩散角度分析了恒温磁滞同线中零场峰 的起源。又计算了与b 无关、工随bf 降( k i m - a n d e r s o n 模型) 时的恒温磁滞回线，研究了磁 通扩散和磁通钉扎对恒温磁滞同线峰效应的共同影响。 第四章主要研究了磁通蠕动对恒温磁滞同线的影响。首先计算出与b 成线性关系而丘与磁 场无关时的恒温磁滞同线，发现了零场峰效应和鱼尾效应，从磁通扩散和磁通蠕动两方面分析了磁 滞同线中的零场峰效应和鱼尾效应的起源。在计算砜与b 成线性关系、丘随磁场f 降 ( k i m - a n d e r s o n 模型) 的恒温磁滞同线时，结果发现：当丘中的参数玩选取不同的值时，恒温磁 滞同线在较高场区可能出现鱼尾效应或第二磁化峰效应，还画出了单双峰区域的相图，最后从磁通 扩散、磁通蠕动和磁通钉扎三方面分析了恒温磁滞同线中的第二磁化峰效应的起源。 第五章用集体钉扎理论中的培和以一b 关系模拟了恒温磁滞同线。计算结果表明：恒温磁滞 回线中第j ：磁化峰出现与否取决于和t 中参数的选取。并分另0 探讨了恒温磁滞同线中零场峰和 摘要 后将模拟的恒温磁滞同线与单晶晒口2 如q j 和b 日( 心一，c q ) ：彳s ：单晶 比，进一步证实了我们的结论。 回线中峰效应的产生机理进行总结，并对超导体峰效应的后续研究工作 峰效应、磁通扩散、磁通钉扎、磁通蠕动 u a b s t r a c t n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o di s u s e dt or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fm a g n e t i cd i f m s i o np r o c e s s 、 啪g n e t i cf l u xp i 肌i n ga j l dm a g n e t i cf l u ) ( c r e e po nh o m o t h e r m a lm a g n e t i ch y s t e r e s i s1 0 0 p s ( h m h l ) ；1 冰e h ef i e l d - d e p e n d e n ti m r i n s i cp i n l l j n gp o t e n t i a le n e r g y a 1 1 d f i e l d d e p e n d e n tc r i t i c a lc u n e n td e n s j t y 丘 i n t oc o n s j d e r a t i o n ，t h eh m h lu n d e rd i 仃i e r e n tr e i a t i o n s h i po f b a n d 六一ba r es i m u l a t e d ，a n dt h e m e c h a n j s mo fp e a i ( e 虢c 毫si nt h e s eh m h li s d i s c u s s e d u j t i m a t e l yt h em h lu n d e rt h er e l a t i o n s h i po f - ba i l d 以一bi nc 。l l e c t i v ep i n n i n gt h e o 拶a r es i m u l a t e d ，a n da r ec o m p a r e dw i t ht h em a g n e t j c m e 嬲u r e m e n tr e s u j t so f y c k 3 q 万s i n 掣ec 哕s t a l ，w m c h j r t h e rp r o v et h ec o l l r e c t n e s so f c o n c i u s i o n o nt h e0 r i 西no fp e a ke f i e c ta b o v e 1 1 1 em 面o rc o m e n t s a r es u m m a r i z e da sf o l j o w ： t h ef i r s tc h a p t e rm a i n l yi m r o d u c e st h e p e a i ( e f f e c to fh i 曲t e m p e 豫t u r es u p e r c o n d u c t i n gc u p r a t e 劬3 d 7 一万锄db f 2 吼国c “2 0 8 锄dn e w f o u n dn e w 够p ei r o 曲a s e ds u p e r c o n d u c t o r t h ev a r i o u s 8 t a t e m e n t so ft h e s e p e a ke f 俺c t s a r ep r e s e m e dh e r e t h ec o m p a r a t i o nb e t w e e n h i g ht e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t i n gc u p r a t ea n di r o n - b a s e ds u p e r c o n d u c t o r si sa l s od e s c r i b e d t h es e c o n dc h a p t e rm a i l l l yf o c u s e so nt h ec a l c u l a t i o no fh m h lu n d e rt h ei d e a lc r i t i c a l s t a t eb e a n m o d e ia n dk i m - a n d e r s o nm o d e l t ke 仃e c t so fc r i t i c a lc u r r e md e n s 时五o nt h es h 印e sa n ds i z e s0 f h m h lu n d e r t h e s e 铆oc r i t i c a ls t a t em o d e l sa f er e s e a r c h e ds e p a r a t e i y f u n h e rs t u d yo nt h ei n f l u e n c eo f f i e l dd e p e n d e n c eo f 工 o nh m h lj sa l s ou n d e n 0 0 kb a s e do nt h el a 舵rc r i t i c a ls t a t em o d e l t i l et h i r dc h a p t e rm i n l yd i s c u s s e st h ee f f e c t so f i n a g n e t i cn u ) 【d j 肌s i o np r o c e s so nh m h l f i r s t ，t l l e h m h lu i l d e rt h ef i e l d i n d e p e n d e n ti n t r i n s i cp i 肌i n gp o t e n t i a l e n e r g y a n d 以i ss i m u l a t e db y n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d f r o mt h ev i e wo fm a g n e t i cn u xd i 低s i o i l t h eo r i 西no fz e r o f i e l dp e a ki n h m h li s 狮a l y z e d t h e nt h eh m h l 蛐d e r t h ec o n d i t i o no ff i e l d - i n d e p e n d e n t a n d 丘嬲s u m e di n i d e a lc r i t i c a ls t a t ek i m a n d e r s o nm o d e l i ss i m u l a t e d t h e i r m a g l l e t j cf l u xd j m l s i o na n dm a g n e t i c 妇u xp i n n j n g p e a ke f 诧c t sa r ei m e r p r e t e df o mt w oa u s p e c t so f t h ef o u n hc h a p t e rm a i m yd i s c u s s e st h ee f i f e c t so f r 1 1 a 印e t i cn u xc r e e po nh m h l “f i r s t ，t h eh m h li n t e r n 塔o ff i e l d i n d e p e n d e m 正a n df i e l d - l i n e a r - d e p e n d e n t i ss i m u l a t e d ，z e r o - f i e l dp e a ka n df i s h t a 订 p e a ke 跪c ti nt h e s eh m h la r ed i s c u s s e s 疔o mb o t ht h ei i l a g n e t i cn u ) cd i 疗憾i o na n d 眦g n e t i cf l u xc r e e p p e r s p e c t i v e a n dt h e nt h eh m h li sa i s oc a l c u i a t e d ，w h e n h a sal i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t hf i e l da n dt h e r e l a i i o n s h i pb e t w e e n a n d6 e l dbf o l l o w st h ea l s s u m p t i o no fi d e a lc r i t i c a ls t a t e k i m a n d e r s o nm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r em a yb ef i s h t a i le 腩c t ，s e c o n dp e a ke 行e c t o rn os e c o n dp e a ke 仃e c ti nt h e i l i g h - f i e i da r e ao fh m h l ，i ft h ep a r a m e t e r 反i n 以c h o o s ed i f r e r e n tv a l u e s t h ep h a s ed i a g r a mo f i i i a b s t r a c t z e “) - f i e l dp e a ka n ds e c o n dp e a ka r e ai sd r a w e du p f i n a l l yt h eo r i g i no fs e c o n dp e a ke f f e c t si se x p l o r e d 劬mm 印e t i cf l u xd i f f 砧i o l l ，l n a g n e t i cf l u xc r e e pa n dm a g n e t i cf l u xp i n n i n ga n g l e s 1 1 l ef i r hc h a p t e ri m i n l yc a l c u l a t e st h eh m h l ，w h e nt h er e l a t i o n s h i po f b a n d 五一bf o l l o w 廿1 ec o l l e c t i v e p i n i l i n gt h e o w h e t h e r0 rn o tt h e r ee x i s ts e c o n dp e a ke f f e c ti nh m h ld e p e n d so nt h e c h o i c eo fp a r a m e t e r si n 丘觚d 砜1 1 1 ee l e m e m sw l l i c hi n n u e n c et h ez e r o i f i e l dp e a ka i l dt h es e c o n d p c a k0 fh m h la r ed i s g 吣s e dr e s p e c t i v e l y f i n a l l yt h eh m h l i sc o m p a l r e dw i t ht h em a g n e t i cm e 嬲u r e m e n t r e s u l t so f 沼口2 c 地d 7 一占a n d 肋( 如一，c q ) 2 彳s 2s i n 哲ec r y s t a l ，w i l i c h 觚h e rp r o v et h ec 叫e c t n e s so f c o n c l 戚o n0 nt h e 州西n0 fp e a ke f f e c t i nt h es i x t hc h a p t e rac o n c i s es u m m a r yo nt h eo r i g i no fh m h li sc a r r i e do u ta n dt h ef u r t h e r 豫s e a r c h 0 f t t l es e c o n dp e a ke 仃e c ti ns u p e r c o n d u c t o r si ss u g g e s t e d k e y ，o r d s ： t h ep e a ke 仃e c ti nh o m o t h e r m l 眦g n e t i ch y s t e 陀s i sl o o p s ，m a g n e t i cf l u ) 【d i 肺s i o i l m a g t i cn u ) 【p i n n i n m a g n e t i cf l u ) 【c r e e p 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 目录v 第一章绪论1 1 1 引言一l 1 2 熠a 伽超导体的峰效应3 1 3口国d 超导体的峰效应5 1 4 新发现的铁基超导体的峰效应一7 1 5 本论文的上要t 作1 0 参考文献l l 第二章临界态模型计算的恒温磁滞回线1 7 2 1 理想临界态b e 柚模型计算的恒温磁滞同线1 7 2 1 1 临界态和b e a n 模型的定义1 7 2 1 2 恒温磁滞回线的计算1 8 2 1 3 丘对临界态b e a n 模型计算的恒温磁滞回线的影响2 3 2 2 理想临界态a n d e r s o t l k i i l l 模型计算的恒温磁滞同线2 5 2 2 1 理想临界态a n d e r s o n 硒m 模型2 5 2 2 2 恒温磁滞回线的计算2 6 2 2 3 丘对临界态a n d 盱s o n - k i i i l 模型计算的恒温磁滞同线的影响3 5 2 2 3 1 哎( 丁) 对临界临界态a n d e r s o n - k i l l l 模型计算的恒温磁滞同线的影响3 5 2 2 3 2 反对临界临界态a n d e r s o n k 妇模型计算的恒温磁滞同线的影响3 9 2 3 本章小结4 3 参考文献4 4 第三章磁通扩散过程对恒温磁滞回线的影响4 5 3 1 钉扎势和临界电流密度均与磁场无关时的恒温磁滞同线4 5 3 1 1 模型的建立、方程推导及参数选取4 5 3 1 1 1 物理模型的建立4 5 v 4 2 钉扎势饥与磁场成线性关系且临界电流密度z 与磁场有关时的恒温磁滞回线7 5 4 2 1 方程的推导及参数选取j 一7 5 4 2 2 恒温磁滞回线的计算结果7 7 4 2 3 峰效应的机理研究7 8 4 2 3 1 零场峰效应的解释。7 9 4 2 3 2 第二磁化峰效应的解释。7 9 目录 4 2 3 3影响第二磁化峰效廊的参数8 2 4 3 本章小结8 7 参考文献9 0 第五章计算的磁滞回线与实验结果的对比咀 5 1 集体钉扎理论中的钉扎势和临界电流密度9 l 5 1 1 玑( 6 ) 中各参数的计算9 3 5 1 2 。一6 关系的推导及其各参数的计算9 4 5 2 计算中各参数的选取及恒温磁滞同线的计算结果9 6 5 3 恒温磁滞回线第_ 磁化峰的影响冈素9 8 5 3 1 钉扎势最人值的位置6 卅对恒温磁滞同线第_ 磁化峰的影响9 8 5 3 2 钉扎势的最人值乩，对恒温磁滞同线第_ 磁化峰的影响1 0 l 5 3 3 z 一6 关系对恒温磁滞同线第二磁化峰的影响1 0 3 5 3 4 恒温磁滞同线第_ 磁化峰的影响因素1 0 7 5 4 恒温磁滞同线中零场峰的影响冈素1 0 8 5 5 与实验测量结果对比1 1 2 5 6 本章小结1 1 6 参考文献1 1 7 第六章总结与展望1 1 8 致谢1 2 1 第章绪论 1 1引言 第一章绪论 非理想第1 i 类超导体，也称硬超导体或实刚超导体，是考虑了单联通俘获磁通行为的 理想第1 i 类超导体。在测量退火、冷轧、再退火的p b + 8 2 3 i n 合金的磁化曲线时，发现 了磁化曲线的同涮，也即磁化曲线的不可逆性。冷轧能产生高密度的位错和缺陷，从而 产生俘获磁通，缺陷不会形成复联体，但位错可以，为了了解导致磁滞同线同滞( 简称磁 滞) 的真正原冈，人们用快中子辐照超导体，使材料产生许多不同类型的点缺陷，但几乎 不产生位错，这样样品内就不存在负联通问题了，结果发现快中子的辐照也引起磁同滞的 增加，而且回滞的大小正比于中子的剂昔【2 】。这说明磁滞是由点缺陷引起的。后来人们发 现磁滞的根本原冈是样品内各种缺陷、杂质和其它不均匀性在一定程度上阻i ：了磁通涡旋 线的流动、进入、进出等，也可以说磁滞是由样品内的各种缺陷、杂质和其它不均匀性对 磁通涡旋线的钉扎作用产生的，钉扎越强，临界电流越大，滞同的面积越人【3 】。也有人认为 磁滞主要是由表面电流产生1 4 j ，但人们更认同前者，即磁滞是由磁通钉扎引起的。 为了研究磁通钉扎过程，进而解释低温超导体磁滞同线的滞回，人们提出了临界态模 型3 1 ，用各种各样的六一b 关系来解释磁滞同线。b e a n 模型3 5 1 假设b = 觋( 丁) ，临界电 流密度工只是温度丁的函数，此时磁滞同线的宽度m 与丘成正比，不随磁场变化。k i m 模型假设昂= 现( 丁，b ) 6 1 ，即丘是温度丁和磁感应强度b 的函数，五随b 的增强而减 弱。此时磁滞回线的宽度a m 随磁场b 的增强而减弱，并在零场附近出现峰效应。 k i m 等人在他们的实验f 7 1 中指出临界态本身不稳定，只有在丁= o k 时才存在，严格 的临界态并不存在。a n d e r s o n 在此基础上提出了他的热激活磁通蠕动理论9 1 。根据临界 态的概念，只要一个涡旋线受到的洛仑兹力小于钉扎力，它就不能运动。而这个条件只有 在丁= o 时才成立，因为丁o 时必然存在热激活，这样涡旋线即使在t l ； 有表面钉扎的样品内磁通蠕动很弱时，z ( 丁) 和z ”( 丁) 内的凹陷将被纽结替代。冈此交 流磁化率中的凹陷效应也可能源下表面钉扎【1 2 l 。 2 第章绪论 峰效应在磁滞同线中是较常见的。征第1 i 类超导体的恒温磁滞同线中，除了零场附近 有个磁化峰外，还会出现第二个磁化峰。根据临界态b e a n 模型1 5 1 ，超导电流密度 o c m ( 其中m = m 一一m + ，且m + ( m 一) 是升( 降) 场时的磁化强度) ，我们可以 从磁滞回线的宽度厶m 中可以计算山临界电流密度z 。当外磁场超过穿透场后，随着外 磁场或温度的增加，工减剑零之前出现了一个峰，这就导致了磁滞同线中的鱼尾效应或 第二二峰效应【1 3 l 。 1 2砌 d 超导体的峰效应 1 9 8 7 年2 月，朱经武小组和赵忠贤小组几乎同时发现了含铜氧化物阳口c 甜d 的初始 转变温度高达9 3 k l l 4 j 【15 1 ，实现了人们向往已久的“液氮温区超导电性”，对超导技术的强电 应用有重要意义。 馏口c “d 超导体的恒温磁滞同线中，除零场峰外还出现第二磁化峰，如图1 1 所示。 鹭 基 笔 萋 缝f 图1 - l 温度范围从7 6 k 到8 0 k 间隔o 5 k 时测得的跏肋2 c “3 q 一，单晶的磁滞同线 第二峰山现在高温区( 约3 0 k 剑6 0 k ) 和中场区( 约2 t ) 【1 6 】。对其峰效应起源的研究一直 是研究的热点，解释也多种多样，具体有以_ 卜儿点： ( 1 ) 体钉扎【1 6 j 在非线性磁通蠕动模型中，同时考虑表面壁垒和体钉扎力。表面壁垒在高温区起作用， 而体钉扎力在低温区其起作川。而，召口c 甜0 的第_ 二峰只出现在低温区，所以 曰口c 甜d 的 第二峰源丁体钉扎。 - 3 东南大学颁十论文 ( 2 ) 临界电流密度丘对磁场h 的非单调依赖关系 磁通钉扎性质的某些变化，如磁通晶格从无序态剑有序态的相变、表面钉扎剑集体钉 扎的转变等，导致以随磁场的增加不是单调递增或递减，而是在某磁场处有一个最小值， 再根据临界态b e a n 模型的假设：膨，所以在磁滞同线中出现第二磁化峰f 1 7 l 。 ( 3 ) 氧配比的不均匀性 随着磁场的增加，有氧缺陷区域的超导电性受到抑制，进而使得这些区域转变为有 效钉扎中心，这些新钉扎中心就是第_ 二峰效应的起源【1 8 】。人们还提出了很多模型来解释 氧缺陷引起的第二峰效应。 颗粒度模型假定：温度足够高时有氧缺陷区域可以被认为是正常的，随着磁场的 增加，有氧缺陷区域的数肇和大小都随之增大，当磁场达到最大，即等于风。( 工达到最 大时对应的外磁场) 时，这些区域就发生重替，样品内就会出现渗流，并出现颗粒度行为。 当样品出现颗粒度行为时，磁滞同线的第- 二峰出现，之后磁化强度就开始减小了【1 9 】。 j o s e p i l s o n 结点模型假定：缺氧材料的大片区域间的电流在低场区对磁化强度起支 配作用。当磁场升到以i i i ( 丘开始上升时对应的外磁场) 时，这些区域开始退耦；当磁场 大于风戤时，这些区域就相互独立了，磁化强度m 由区域内的电流决定，所以m 开始减 小。当磁场等于风。时，磁滞回线出现第二掣2 0 1 2 。 还有一种模型假定：在显微镜下观察，氧空缺区域非常小，且其h ，的值比完全 充满氧气的母体区域小【2 2 】f 2 3 1 。当磁场较低时，序参量只是受剑微弱的抑制，产生弱的钉 扎中心，但随着磁场的增强，氧空缺区域的序参晕比母体的序参量受剑的抑制更强，进而 使这些钉扎中心随磁场增加变得更强，从而使，随磁场的增加而增加。 r e i s s n e r 等人认为第_ 二磁化峰的形成不仅与氧含量有关，还与氧缺陷的排列有关，并 假设有两种不同方式作用的钉扎中心存在。一类钉扎中心主要在低场区起作用，氧含量的 变化对其几乎没有影响，当温度和磁场增加时，表现出从小磁通束向大磁通束转变的三维 钉扎行为；另一类钉扎中心主要在较高的场区和温区下，且出现第二磁化峰时才起作用， 氧含量的变化对其影响很大，当温度和磁场增加时，表现出从单涡旋蠕动向集体涡旋蠕动 转变的二维钉扎行为。第二类钉扎中心就是第二磁化峰的来源【2 4 1 。 ( 4 ) 除氧缺陷外的其它缺陷 后来人们发现：当氧缺陷不起任何作用时，磁滞同线中也会出现第：二峰效虑( 如在 阳口：c 锄。q 中) ，人们认为第二峰效应起源于其它缺陷，如杂质缺陷、像位错、堆垛层错 之类的结构缺陷、结构缺陷周同的应变场等1 2 5 1 。 ( 5 ) 匹配效应 当钉扎中心与含有杂质的涡旋格子相匹配时，钉扎就达到了最大。当磁场较低时，钉 扎中心的浓度比磁通涡旋人，涡旋可以很容易地移动，冈为样品内有许多活跃的等效何置； 当磁场较高时，涡旋间距与平均缺陷间距相等时，涡旋可跃迁的可能何置的数量开始减小， 4 第章绪论 冈而钉扎增强。磁场超过玑。后，由丁不可逆线附近的序参量变低，所以丘逐渐减小， m 也逐渐减小，所以当涡旋间距与平均缺陷间距相等时，磁滞同线中出现第一二峰效应【2 6 1 。 ( 6 ) 钉扎行为维度转变导致驰豫率变化 磁通钉扎维度的变化，如：从一维单磁通蠕动转变剑二维集体磁通蠕动1 27 j 或从二维磁 通涡旋钉扎转变到二维磁通涡旋钉扎，导致了中场区磁驰豫率变慢，从而产生第二峰效应。 ( 7 ) 钉扎中心从蹴( 也称研) 钉扎中心向小尺寸止常芯钉扎中心转变 考虑到上临界场分布的不均匀性和块状样品内即密集义小的钉扎中心的g l 参数茁， 我们把样品内的钉扎分为蹴( 也称田) 钉扎和小尺寸止常芯钉扎两类，当磁场较低时， 越米越多的戤( 也称万，) 钉扎转变为小尺寸正常芯钉扎，所以磁通钉扎会逐渐增强，m 逐渐增大。当磁场较高时，一些相邻的正常芯相互重叠，其尺寸d ? f ，磁通钉扎就不 太有效了，m 随磁场的增强而逐渐减小。这样就形成了第二峰效应1 2 踟。 ( 8 ) 磁通品格的软化 在高温超导体中，由丁磁穿透深度兄较大，而磁通线格子的剪切模量c 6 6 ：l 五2 ，倾 斜模量c “：( 1 + r 2 五2 ) ，当位错波长较小且2 万r = 五时，q 。和气6 都很小，所以磁 通线格子很软。高温超导体显著的各向异性和层状结构有增加了以沿c 轴方向的穿透深 度，甚至可能引起c 甜d 面内二维磁通涡旋格子的退耦，所以磁通线格子的软化被进一步 加强。软的磁通线格子比硬的被钉扎的更强，热波动和软化可以是磁通线格子融化，引起 磁通线或层内_ 二维饼涡旋的退钊，从而产生峰效虑【”】1 3 0 j 。 综上，人们对馏口c 材d 超导体恒温磁滞同线中的峰效应的解释多种多样，某些解释 可能只适用于y 8 口c 甜d 体系的某一个相( 如：】，b 口c ”d1 2 3 相，1 2 4 相) ，但是还没有一 种解释具有普遍适用性。 1 3b 渺劬 d 超导体的峰效应 1 9 8 8 年1 月，h i r o s h im a e d a 等【3 1 l 发现了不含稀十元素的新型高温超导体 b 衙c 口c 扰d ，且b f 跏c 口c d ，的超导转变温度高达1 0 5 k ，比冶a c “d 的超导转变温 度高，之后人们就开始关注这种氧化物的各种特性。 b f ，瓯c 口c z f ，q 的恒温磁滞同线中除零场附近的峰外，也会出现第二磁化峰。且第 二磁化峰出现在低温| 又：和低场区，约2 0 4 0 k 之间和儿自高斯的外场下【3 2 】，如图1 2 所 示【3 3 】。 对其峰效应起源的研究一直是研究的热点之一，说法也各不相同。主要有以下几种： ( 1 ) 两维饼涡旋与结构缺陷或位错网的宅间匹配效应【3 4 】； ( 2 ) 三维磁通线格子到二维饼涡旋体系的维度转变【2 6 】，晶体内的柱状缺陷可以抑制相 邻饼涡旋间的退耦转变； ( 3 ) 某些集体蠕动势垒间的相互作用随外场的增加而增加，磁滞同线的宽度m 随 磁场的增强而增人。当磁场增强人某个值时，磁通钉扎类型从体钉扎向表面肇垒引扎转 变，而前者比后者的电流密度人p 引，所以磁滞同线的宽度m 随磁场的增强而减弱，这 - 5 图l 3不同温度下测得的6 ，砌单品的恒温磁滞同线 在这类超导体的恒温磁滞同线中，第j ：峰出现在高场区，接近上临界场皿2 。此类峰 效应的解释主要有以下三类： ( 1 ) p i p p a r d 对第二峰效应的解释如下：在外场接近皿2 时，弹性剪切一个磁通品格 的能量和钉扎势都逐渐降为零，但是前者比后者下降得更快，所以外场接近以2 时磁通晶 6 第章绪论 格变得更畸形了，这使得钉扎势增加，电流密度更蒯4 。 ( 2 ) l a r l d n 和o v c h i n n i k o v 对峰效应的解释则基于假设：磁通品格从局域弹性到1 e 局 域弹性转变时，弹性模昔就会突然减小，这使得单个钉扎中心引起的弹性形变增加。当单 个钥扎中心引起的弹性形变达剑晶格常数的数管级时，就会出现峰效蒯“j 。 ( 3 ) k o s h e l e v 和v i n o k u r 认为：磁场的增强促使磁通品格的无序度增强，当磁通品格 的无序度足够强时，系统内就会形成拓扑缺陷，进而导致磁通品格从低场准点阵或b r a g g 玻璃相转变剑高场拓扑无序相，从而产生第二峰效应1 43 1 。这种相变已经在r y u 等人的数 值模拟中被观察到m j ，而且还与k i e 疵l d 等人的理论发现1 4 5j 相吻合。 综上，人们对高温铜氧化物超导体b 触c 口c d2 2 1 2 相和低温超导体的恒温磁滞同 线中的峰效应的解释说法不一，研究的角度也各不相同，对同一类峰效应的解释却千差万 别，不同种类的低温超导体的峰效应的解释也各不相同。 1 4 新发现的铁基超导体的峰效应 2 0 0 8 年，日本东京应用科学研究所的y o i c l l ik a l l l i h a r 钆t 酞u m iw a t a n a b e ，m a s a l l i r o h i r a n o 和h i d e oh o s o n o 发现了铁基层状超导体工口 q 一，e 】只纠j ( x _ o 0 5 一o 1 2 ) 的超导转变 温度z 等于2 6 k 【4 6 】。这住凝聚态物理学研究领域里是一个重要的转折点，它开辟了一个 崭新的、很有趣的研究方向，掀起了世界性的铁基超导体的研究热潮。经过短短的一年后， 2 0 0 9 年3 月中科院北京超导物理研究所的闻海虎等人发现向c 口月纠j f 中掺杂稀_ 十元素 n d 、s m 等，可以实现高达5 卜5 7 k 的超导转型4 丌。人们从实验角度和理论角度出发， 对铁基超导体系物理特性做了大量的研究。虽然铁基层状超导体的转变温度没有铜氧化物 超导体高，但是强磁场| 卜的测鼍显示铁基超导体具有很高的上临界场1 4 8 l1 4 9 】，且钊。扎中心 的引入可以增人临界电流密度1 5 0 1 ，所以铁基超导体系有更大的潜在实际应用价值。 铁基超导体与铜氧化物超导体有很多不同点和相似点。 不同点有：( 1 ) 它们均含有序参莓的对称性，但铁基超导体主要是s 波对称，铜基超 导体主要是d 波对称1 5 l j ； ( 2 ) 铁基超导体的各向异性比铜基超导体小，例如：接近瓦时， 7 ：删j 哦8 2 磊1 8 的 各向异性常数约为5 6 【5 2 1 ，瑚2 c 蚝q s 的各向异性常数约为7 2 0 【4 。 ( 3 ) 铁基超导体的相干长度比铜基超导体长。具体如下表1 1 所示f 4 1 】： 有研究表明铁基超导体和铜酸盐氧化物超导体材料内涡旋的性质比较相似。 ( 1 ) 在铁基超导体的运动磁驰豫率q 和标准化磁驰豫率s 随温度t 的变化图像中，中 温区有一段平稳态【5 3 l ，即驰豫率随温度变化很小，约在0 0 2 和0 0 4 间，驰豫率的这个特 征和铜酸盐超导体很相似，尤其是瑚! c 材3 d 7 一占5 引。而在o 2 t 下b f 2 吼c 口c “2 q + y 的驰 豫率随温度的变化曲线中，驰豫率随温度时增时减，在2 0 k 和6 0 k 附近驰豫率均达到了 最大值【3 4 l 。 - 7 东南大学硕士论文 h 眦埘w 啪n 喇 矾蔓h 位幽毪氆村i 表1 1 铁基超导体和铜酸盐超导体的对比 ( 2 ) 从铁基超导体：删j 哦9 磊i 的持久电流密度力泣温度r 的变化图像中，可看出 约3 8 k 附近，罗几乎消失了，即3 8 k 时超导的f d s 层间的连接变弱，层内的饼涡旋线 从3 d 向2 d 转变5 引。与之类似，在2 5 k 附近时，b f 2 吼c 口c 幻2 ，超导体内超导的c “d 2 层间的连接变弱，层内的饼涡旋线从3 d 向2 d 转变l 圳。 ( 3 ) 铁基超导体的第二峰与温度有依赖关系，如图1 - 4 所示，并且峰很宽1 5 0 5 5 1 ，第 峰的位置随温度的升高而移向低场区，该特征和砼魄c “3 d ，的第二峰相似2 7 1 但与 b 之趣c 白c “2 q + ，却相反，曰f 2 吼c 白c “2 q + ，的第二峰与温度无关，并且峰很尖锐3 3 1 。 但后来人们又在非双晶的很干净的馏口2 c 甜3 q 单晶的一阶磁通格子融化线的临界点附近 发现了尖锐的第_ 二掣5 7 1 。 许多铁基超导体的第二磁化峰的位置不仅与温度有关，还与掺杂浓度x 有关，如 肋( 凡h ( ：仇) 2 彳s 2 吲单晶的磁滞同线见图1 5 。 8 - h ( t ) 图l 5 啦品b 口( 如一，c d ，) 2 彳j 2 中工取i i 同值温度为2 k 扫场速度分别为5 0 0 e s ( 图中用红色圆点 表示) 和2 0 0 0 “s ( 图中用黑色方块表示) 时测量的恒温磁滞回线 9 东南大学硕士论文 另外，铁基超导体凡6 0 4 0 的恒温磁滞同线中的第二峰效应还与外磁场的方向 有关，当日a b 面时第二峰效廊消失【5 9 1 。人们对铁基超导体第一二磁化峰效廊的起源的研 究并不多，目前主要有以下两类： ( 1 ) 钉扎中心从( 也称钟) 钉扎中心向小尺寸正常芯钉扎中心转变1 5 l j ( 2 ) 磁驰豫率对磁场h 的非单调依赖关系 磁通蠕动从集体磁通蠕动向塑性蠕动转变( 涡旋线格子的位错介于中间) 时，前者的 驰豫率在低场区随磁场的增加单调递减，后者的驰豫率随磁场的增加而增加，所以驰豫率 对磁场的依赖关系是非单凋的，进而产生第- 二峰效应唧】。 后来第二峰效应又被解释为：磁通蠕动从单磁通蠕动到集体磁通蠕动的转变引起磁驰 豫率在中场区焚慢，从而产生第二磁化峰【5 9 j 【6 l j 。 综上，人们对高温铜氧化物超导体晒a c k d 和b 脚c 口c z ，d 及铁基超导体峰效应的 解释很多，但是仍没有一个明确的说法。 1 5 本论文的工作 磁滞回线中的峰效应是较普遍的，不管是低温超导体( 如：峨) 、铜氧化物高温超导 体，还是铁基超导体，其磁滞同线都有相似的峰效应，但对峰效应的解释还没有一个统一的 模型。本论文从数值计算角度出发，通过计算在钉扎势饥对磁场b 的不同依赖关系和临界 电流密度虎对磁场b 的不同依赖关系下的恒温磁滞同线，研究磁通扩散过程、磁通蠕动和 磁通钉扎对磁滞同线的大小和形状的影响，并在此基础上探究恒温磁滞同线的零场峰和第二 磁化峰的产生机理。 1 0 第章绪论 参考文献： 【l 】j d l i v i n 疹t o n m a g n e t i cp r o p e r t i e so f s u p e r c o n d u c t i n gi e a d - b a s ea l l o y s 【j 】p h y s r e v ，1 9 6 3 ， 1 2 9 ：1 9 4 3 一1 9 4 9 【2 】p s s w a r t z ，h r h a na n dr l f l e i s c h e r e 虢c to f 缸t n e u t r o ni r r a d i a t i o no nm a g n e t i c p r o p e n i e sa n dc r i t i c a lt e m p e r a t u r eo fs o m et y p ei is u p e r c o n d u c t o r s 【j 】a p p l p h y s l e t t ， 1 9 6 4 4 ：7 l - 7 3 【3 】c pb e a n m a g n e t i z a t i o no f h a r ds u p e r c o n d u c t o r s 【j 】p h y s r e v l e t t ，19 6 2 ，8 ：2 5 沪_ 2 5 3 【4 】d o n a l dgs c h w e i t z e r ，a n dm g a r b er h y s t e r e s i si ns u p e r c o n d u c t o r s i i e x p e r i m e n t a l t e s t s f o rc r i t i c a ls t a t e s 【j 】p h y s r e v ，a u g 吣t ，l9 6 7 ，16 0 ：3 4 8 - 3 5 8 【5 】c h a r l e spb e 孤m a 印e t i z a t i o no f h i g h - f i e l ds u p e r c o n d u c t o r s 【j 】r “m