Сверхток плотностью выше 106 А/см2 при 77 К в монокристаллическом пленочном проводнике из ВТСП купрата YBa2Cu3O7-d - мечта или реальность?

Анотація

Явления при протекании сверхтока в эпитаксиальных с-ориентированных тонких пленках ВТСП купрата YBa₂Cu₃O_7-d (YBCO) c высокой плотностью критического тока J_c(77 К) ≥ 2·10⁶ А/см² исследованы с помощью четырехзондовых транспортных измерений, низкочастотной магнитной восприимчивости и СКВИД-магнитометрии. Пленки для исследований получены осаждением на монокристаллические подложки из сапфира (r-срез) с буферным слоем CeO₂ или из LaAlO₃ (100) c помощью неосевого dc-магнетронного распыления или импульсной лазерной абляции. Модель механизмов пиннинга вихрей Абрикосова и ограничения сверхтока разработана и обсуждена путем сравнения ее предсказаний с результатами измерений критического тока и его зависимостей от приложенного магнитного поля различной напряженности и ориентации, а также данными о наноструктуре, полученными с помощью высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии и электронной дифракции при обратном рассеянии. Показано, что малоугловые субграницы слегка азимутально разориентированных доменов, образовавшиеся в процессе эпитаксиального роста пленки, играют ключевую роль в явлениях, которые обнаружены при транспорте сверхтока. Малоугловые субграницы наклона представляют собой эквидистантные упорядоченные ряды краевых дислокаций с несверхпроводящими ядрами диаметром около 3-4 нм. Линии дислокаций в субграницах параллельны друг другу и перпендикулярны плоскости пленки. Средняя плотность дислокаций по площади пленки зависит от реальной статистики случайной системы субграниц доменов и может достигать 10¹¹ см^-2. Поскольку диаметр "нормального" ядра дислокации близок к диаметру кора вихря Абрикосова, элементарная сила пиннинга вихря на ядре дислокации оказывается близка к максимально возможной. Характерные черты пиннинга на дислокационных субграницах: 1) достижение высоких J_c(77 К) ≥ 2·10⁶ А/см² и J_c(20 К) > 10⁷ А/см² в эпитаксиальных пленках и проводниках; 2) существование "плато" в зависимости J_c(Н), т.е. J_c(Н) = const при Н < H_m; 3) логарифмическое падение J_c(Н) при Н > H_m, т.е. при переходе от режима одночастичного пиннинга к коллективному пиннингу вихревой решетки на статистическом ансамбле случайно распределенных дислокационных субграниц; 4) существование порогового поля Н_р, определяющего предел, до которого в тонкой (d ≤ l) пленке вихри остаются прямолинейными и перпендикулярными пленке даже в наклоненном под большим углом приложенном поле; 5) эволюция угловых зависимостей J_c(Q) с изменением напряженности поля полностью согласуется с моделью доминирующего пиннинга на "прошивающих" краевых дислокациях. Новый "пик-эффект" - повышение J_c(H || ab) с ростом продольного поля - впервые наблюдался при Н > H_m, т.е. после окончания "плато" J_c(H || ab) = const.