Развитие методов исследования нестационарных откликов в магнитоупорядоченных материалах и сверхпроводниках

использованы следующие обозначения: – толщина пленки, – транспортный критический ток, - плотность транспортного критического тока, - линейная плотность силы пиннинга). Показано, что существенную роль в магнитных свойствах ВТСП играют протяженные дефекты.

Результаты, полученные в пятой главе, являются исходным материалом, необходимым при обсуждении особенностей формирования фононного эхо-сигнала в сверхпроводящих системах.

В шестой главе методика изучения материалов по нестационарным откликам распространена на изучение сверхпроводников, [24 – 28]. Их возбуждение потребовало приложения более мощных РЧ импульсов, чем в предыдущих случаях и использования температур ниже температуры сверхпроводящего перехода . Наблюдавшееся в последовательностях и радиочастотное эхо было подробно исследовано в ВТСП YBa₂Cu₃O_7-δ и Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_y (параметрически в этих веществах эхо возбуждаться не может), [24, 25]. Измерение зависимости амплитуды сигнала от давления было прямым экспериментом, демонстрирующим его акустическую природу, то есть то, что отклик является т.н. сигналом фононного эха. Изучение характера его поведения во внешнем постоянном магнитном поле и при разных интенсивностях РЧ импульсов позволили сделать заключение, что эхо возникает по ангармоническому магнитоакустическомку механизму в режиме большого сигнала.

Поскольку особый интерес при изучении высокотемпературной сверхпроводимости представляют материалы, в которых присутствуют ионы, формирующие, или способные сформировать магнитную подрешетку, фононное эхо было изучено в следующих соединениях: GdBa₂Cu₃O_7-δ и YBa₂Cu_3-xFe_xO_7-δ, [26, 27]. Причины их избрания в качестве объектов исследования были следующими. Известно, что среди соединений с полным замещением иттрия на редкоземельный элемент наибольшей температурой антиферромагнитного перехода обладает сверхпроводник с гадолинием. Транспортные же характеристики GdBa₂Cu₃O_7-δ остаются практически теми же, что и у обычного ВТСП, и поэтому данный материал удобен для сравнения с другими. Что касается железосодержащего образца, то его магнитные свойства сложнее, и, в силу того, что замещается медь (причем, по ряду источников, и в цепочках, и в плоскостях) здесь реализуется вариант, противоположный предыдущему – магнитный ион попадает в позиции, связанные с переносом тока. На эксперименте была отмечена существенная разница в температурном поведении амплитуды эхо-сигнала в этих веществах. Гадолиниевый материал продемонстрировал сходство с иттриевым – в нем сигнал быстро спадал при подходе к , а в железосодержащем, до температуры перехода (по сравнению с YBa₂Cu₃O_7-δ значительно понизившейся), отклик оставался почти постоянным и очень интенсивным. Зависимости ампли-туды сигнала от амплитуды возбуждающих импульсов в YBa₂Cu₃O_7-δ и YBa₂Cu_3-xFe_xO_7-δ различались (рис. 9); в последнем случае при больших уровнях отклика наблюдалось его снижение. Анализ результатов (в т.ч, с привлечением данных пятой главы) позволил связать аномальное поведение эха в железосодержащем материале с возрастанием эффективного параметра, характеризующего упругую нелинейность, и возможным формированием кластеров.

Фононное эхо фактически представляет собой методику бесконтактного возбуждения и регистрации ультразвука. В качестве таковой оно было использовано для акустического исследования щели в различных сверхпроводниках, [27, 28]. При этом, путем измерения времени релаксации двухимпульсного эхо-сигнала, определялось характерное время затухания упругих колебаний. Такого рода эксперименты дают оценку для усредненного значения щели, тем не менее, с их помощью было установлено, что и в обычных ВТСП, и в материалах, содержащих магнитные ионы, ее величина приблизительно одинакова, и составляет . (Это подтверждает предположение об образовании кластеров в железосодержащем ВТСП.) В материале другого состава и с другими электронными свойствами – дибориде магния, MgB₂, результат оказался несколько иным. Несмотря на ожидаемые особенности поведения затухания в двухщелевом сверхпроводнике, на эксперименте наблюдался температурный ход электронного затухания (показанный на рис. 10), описывающийся одним параметром , для которого было получено значение . Следует отметить, что это первое применение ультразвуковой методики к исследованию щели в дибориде магния.

В седьмой главе, которая является завершающей, дается общая оценка результатов работы с точки зрения их практической применимости. Показано, что эффекты, наблюдавшиеся в легкоплоскостных антиферромагнетиках, при определенных условиях пригодны для использования в датчиках ряда физических величин. Существенными преимуществами перед известными сенсорами, будут обладать, скорее всего, созданные на этой основе устройства, чувствительные к РЧ полю.

Параметрическое эхо, формирующееся на собственных магнитоупругих колебаниях кристалла, обладает свойствами, которые делают возможным его применение в устройствах функциональной электроники (эхо-процессорах). То, что оно, при определенном приближении, представляет собой свертку входных сигналов, является необходимым требованием для таких систем. Материалы с сильными магнитоупругими свойствами, в которых эхо возникает, обладают высокой чувствительностью к резонансному воздействию, и, кроме того, отклик может быть усилен импульсом на удвоенной несущей частоте. Это принципиально позволяет создать эхо-процессор, рабочий элемент которого, служащий для преобразования сигнала, одновременно является параметрическим усилителем, [29].

В ходе решения задачи по разработке способов управления эхо-процессором (с целью подавления паразитных сигналов), была создана универсальная методика регистрации нестационарных откликов физической системы, не зависящая от конкретного механизма их формирования, и базирующаяся на общих для них амплитудно-фазовых соотношениях, [30]. Ее идея основана на разделении рабочего вещества на несколько секций, в каждой из которых отклики возбуждаются импульсами с измененными по заранее заданному закону амплитудами и фазами. Показано, что при выполнении необходимых соотношений, выходной сигнал такой системы, образованный суммированием откликов всех секций, будет представлять собой желательную выборку из полной совокупности откликов.

Изготовленная установка селекции сигналов спинового эха ⁵⁷Fe в литиевом феррите позволила выполнить экспериментальную проверку данного подхода и показать его работоспособность, [31].

1. 
   В материалах с сильной магнитоупругой связью изучены импульсные нестационарные отклики магнитоакустической природы и с их помощью выполнены измерения характеристик легкоплоскостных антиферромагнетиков FeBO₃, -Fe₂O₃. Обнаружено явление магнитоакустического параметрического эха на собственных колебаниях кристалла бората железа. Показано, что механизм формирования эха связан с усилением магнитоупругих колебаний. Изучены свойства этого сигнала, и сделан вывод о возможности его использования в устройствах обработки информации.
   
2. 
   Исследованы эффекты, возникающих в магнитоупорядоченных кристаллах в области взаимодействия упругой и ядерной спиновой систем. Реализованы условия, при которых наблюдается ядерный магнитоупругий резонанс – неоднородное возбуждение ядерной спиновой системы через подсистему магнитоупругих колебаний образца, характеризующееся коэффициентом усиления и динамическим сдвигом частоты, отличными от соответствующих параметров, описывающих обычный ЯМР в магнитоупорядоченных веществах. С его помощью измерено сверхтонкое поле, наводимое ядерной намагниченностью на электронную подсистему.
   
3. 
   При параметрическом воздействии на магнитоупорядоченные материалы обнаружены эффекты усиления импульсных откликов упругой подсистемы (сигналов индукции и эха), и ядерного магнитоупругого резонанса. Наибольшая величина усиления, достигнутая в экспериментах, составила ~ 10². Было установлено, что в условиях сильной связи ядерной спиновой и магнитоупругой подсистем включение дополнительного параметрического воздействия приводит к появлению эха на ядерно-упругих колебаниях.
   
4. 
   Методом ЯМР ⁵⁷Fe выполнено систематическое исследование фотомагнитного эффекта в FeBO₃, позволившее получить дополнительные сведения об изучаемом явлении. Прямыми экспериментами установлена природа фотомагнитных центров в этом веществе. Таким образом продемонстрировано, что наблюдение нестационарного ЯМР является эффективным инструментом изучения фотомагнитных явлений.
   
5. 
   Разработан бесконтактный метод измерения магнитных параметров сверхпроводящих материалов на основе датчика Холла. Дополнение его внешним воздействием в виде транспортного тока, управляющего магнитным потоком, захваченным в образце, позволило изучить свойства центров пиннинга и распределение магнитных критических токов в ВТСП различной морфологии.
   
6. 
   Подробно изучено фононное эхо в сверхпроводниках разного состава. Методика, использующая явление фононного эха, применена к изучению характеристик ВТСП, содержащих магнитные ионы (GdBa₂Cu₃O_7-δ, YBa₂Cu_3-xFe_xO_7-δ). Измерена усредненная величина сверхпроводящей щели в этих материалах. На основе анализа параметров сигнала продемонстрировано, что в железосодержащем ВТСП сильно выражены нелинейные свойства упругой подсистемы, и имеется тенденция к образованию кластеров.
   
7. 
   Впервые обнаружено и исследовано фононное эхо в дибориде магния. Установлено, что оно обладает рядом существенных особенностей, в частности, необычным поведением затухания в области низких температур. Для этого материала выполнена оценка сверхпроводящей щели.
   
8. 
   Разработан принцип управления выходными сигналами эхо-процессора, основанный на амплитудно-фазовых соотношениях, свойственных нестационарным откликам любой природы. С его использованием создано устройство, позволяющее проводить временную селекцию сигналов спинового эха ⁵⁷Fe в литиевом феррите.
   

1. 
   Паугурт А.П., Плешаков И.В., Иванов А.В. Импульсное возбуждение магнитоупругих колебаний и акустическое эхо в FeBO₃. // ФТТ. – 1987. – Т. 29. – № 10. – С. 2959 – 2965.
   
2. 
   Петров М.П., Паугурт А.П., Плешаков И.В., Иванов А.В. Магнитоупругие колебания и параметрическое эхо в тонких пластинах бората железа. // Письма в ЖТФ. – 1985. – т. 11. – № 19. – С. 1204 – 1207.
   
3. 
   Плешаков И.В. Параметрическое возбуждение магнитоупругих колебаний монокристаллов гематита в слабых магнитных полях. // ФТТ. – 2005. – т. 47. – № 9. – С. 1692 – 1696.
   
4. 
   Петров М.П., Иванов А.В., Паугурт А.П., Плешаков И.В. ЯМР и магнитоупругое взаимодействие в FeBO₃. // ФТТ. – 1987. – Т. 29. – № 6. – С. 1819 – 1825.
   
5. 
   Нестеров М.М., Плешаков И.В., Фофанов Я.А. Информационно-физические свойства нестационарных откликов в системах обработки импульсных сигналов. // Научное приборостроение. – 2006. – Т. 16. – № 2. – С. 3 – 21.
   
6. 
   Нестеров М.М., Плешаков И.В., Фофанов Я.А. Амплитудные и частотные свойства параметрического эхо-сигнала в информационных системах. // Научное приборостроение. – 2006. – Т. 16. – № 1. – С. 64 – 71.
   
7. 
   Плешаков И.В., Фофанов Я.А. Об эффекте усиления при возбуждении и регистрации параметрических эхо-сигналов. // Научное приборостроение. – 2007. – Т. 17. – № 2. – С. 35 – 38.
   
8. 
   Андреева Г.Т., Иванов А.В., Паугурт А.П., Петров М.П., Плешаков И.В. Осцилляции в сигнале индукции и магнитоупругий ЯМР. // Тезисы XVII конференции по физике магнитных явлений. – Донецк, 1985, с. 338 – 339.
   
9. 
   Петров М.П., Паугурт А.П., Плешаков И.В., Иванов А.В. Сигнал ядерной индукции в FeBO₃ при совмещении частот акустического и ядерного резонансов. // Письма в ЖТФ. – 1987. – т. 13 – № 4. – С. 193 – 196.
   
10. 
    Плешаков И.В. Динамический сдвиг частоты ядерного магнитоупругого резонанса ⁵⁷Fe в борате железа. // ФТТ. – 2003. – Т. 45. – № 4. – С. 673 – 675.
    
11. 
    Иванов А.В., Корнеев В.Р., Паугурт А.П., Плешаков И.В. Затухание магнитоупругого ЯМР в FeBO₃. // Письма в ЖТФ. – 1988. – Т. 14. – № 22. – С. 2049 – 2052.
    
12. 
    Паугурт А.П., Плешаков И.В., Хомченков И.М., Иванов А.В. Влияние ядерной спиновой системы на затухание магнитоупругих волн в FeBO₃. // Письма в ЖТФ. – 1987. – Т. 13. – № 10. – С. 587 – 590.
    
13. 
    Плешаков И.В. Регистрация фотомагнитного эффекта методом ядерного магнитного резонанса. // Письма в ЖТФ. – 2003. – Т. 29. – № 6. – С. 65 – 71.
    
14. 
    Pleshakov I.V., Matveev V.V. Nuclear magnetic resonance investigation of photomagnetic phenomena in FeBO₃. // Journal of Physics: Cond. Matter. – 2004. – V. 16. – P. 1725 – 1731.
    
15. 
    Плешаков И.В., Нечитайлов А.А., Паугурт А.П., Матвеев В.В. Ядерный магнитный резонанс и фотоиндуцированные эффекты в кислорододефицитном борате железа. // Письма в ЖТФ. – 2005. – Т. 31. – № 24. – С. 24 – 29.
    
16. 
    Кузьмин Ю.И., Плешаков И.В. Намагничивание и критические токи керамических сверхпроводников. // Письма в ЖТФ. – 1989. – Т. 15. – № 11. – С. 30 – 35.
    
17. 
    Петров М.П., Красинькова М.В., Кузьмин Ю. И., Плешаков И.В. Бесконтактные измерения критических токов в сверхпроводящих пластинах и пленках. // ФТТ. – 1990. – Т. 32. – № 2. – С. 379 – 383.
    
18. 
    Petrov M.P., Krasinkova M.V., Kuzmin Yu.I., Pleshakov I.V. Magnetization and critical current in high-Tc ceramic superconductors. // In: Physical Properties of High Temperature Superconductors. – N.Y.: Nova Science Publishers Inc., 1993, P. 1 – 19.
    
19. 
    Kuzmin Yu.I., Paugurt A.P., Pleshakov I.V., Razumov S.V. Transport current-activated flux creep in high-Tc superconductor thin films. // Supercond. Sci. and Technol. – 1994. – V. 7. – N 1. – P. 41 – 44.
    
20. 
    Pleshakov I.V., Lasarev D.A., Grachev A.I., Paugurt A.P., Shulman S.G. Photoresponse of granular YBaCuO thin film. // Supercond. Sci. Technol. –1996. – V. 9. – N 1. – P. 155 – 160.
    
21. 
    Кузьмин Ю.И., Плешаков И.В. Статистика кластеров нормальной фазы и захват магнитного потока в пленках высокотемпературных сверхпроводников. // Письма в ЖТФ. – 1999. – Т. 25. – № 12. – С. 475 – 479.
    
22. 
    Кузьмин Ю.И., Плешаков И.В., Разумов С.В. Статистическое распределение магнитных критических токов, определяемое морфологией пленок высокотемпературных сверхпроводников. // ФТТ. – 1999. – Т. 41. – № 10. – С. 1594 – 1599.
    
23. 
    Gonzales Rodriguez G., Pleshakov I.V., Kuzmin Yu. I. Magnetic relaxation and critical currents in high-T_c superconducting thin films with a special morphology. // In: Surface science and its applications. Proceedings of 9th Latin American Congress. – Singapore, New Jersey, London, Hong Kong: Word Scientific, 1999, P. 359 – 364.
    
24. 
    Петров М.П., Дядюшкин Д.В., Иванов А.В., Красинькова М.В., Нечитайлов А.А., Паугурт А.П., Плешаков И.В. Радиочастотное эхо в иттрий- и висмутсодержащих высокотемпературных сверхпроводниках. // Сверхпроводимость: Физика, Химия, Техника. – 1990. – Т. 3. – № 10 (ч. 2). – С. 2363 – 2366.
    
25. 
    Petrov M.P., Pleshakov I.V., Paugurt A.P., Krasinkova M.V., Nechitailov A.A., Melech B.T. Radio-frequency echo in high-T_c superconductors Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_y and YBa₂Cu₃O_x. // Solid. State Commun. – 1991. – V. 78. – N 10. – P. 893 – 895.
    
26. 
    Плешаков И.В., Нечитайлов А.А., Паугурт А.П. Фононное эхо в сверхпроводниках, содержащих магнитные ионы. // Прикладная физика. – 2005. – № 3. – С. 21 – 24.
    
27. 
    Плешаков И.В., Нечитайлов А.А., Паугурт А.П., Матвеев В.В., Фофанов Я.А., Eero Ylinen. Исследование высокотемпературных сверхпроводников, содержащих магнитные ионы, методом фононного эха. // Письма в ЖТФ. –2007. – Т. 33. – № 24. – С. 38 – 45.
    
28. 
    Pleshakov I.V., Matveev V.V., Ylinen E., Paturi P., Laiho R. Investigation of superconducting MgB₂ by the phonon echo method. // Proceedings of NEMS symposium. – Backagården, Sweden, 2008, p. 30.
    
29. 
    Паугурт А.П., Иванов А.В., Плешаков И.В. Устройство для обработки сигналов. Авторское свидетельство СССР № 1545915, 1989 (приоритет от 10.04.1986).
    
30. 
    Иванов А.В., Паугурт А.П., Плешаков И.В. Способ управления спиновым эхопроцессором. Авторское свидетельство СССР № 1248436, 1986 (приоритет от 14.01.1983).
    
31. 
    Петров М.П., Паугурт А.П., Иванов А.В., Плешаков И.В. Использование фазовых соотношений при регистрации откликов спиновой системы. // Письма в ЖТФ. – 1986. – Т. 12. – № 14. – С. 833 – 837.