КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-29-00442

НазваниеНовый механизм усиления критического тока в наноструктурированных ВТСП материалах с внедренной магнитной подсистемой

РуководительПигальский Константин Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-306 - Инженерно-физические проблемы электротехники и технической сверхпроводимости

Ключевые словавысокотемпературная сверхпроводимость, магнитные замещения, наноструктуры, пиннинг, критический ток, намагниченность, магнитная восприимчивость, размерные эффекты

Код ГРНТИ45.09.33

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на поиск новых путей улучшения эксплуатационных характеристик высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов, в том числе увеличения плотности критического тока. До настоящего времени существенным препятствием для широкого внедрения ВТСП является сильное уменьшение критического тока с ростом температуры и магнитного поля. Такое поведение напрямую связано с особенностями обычного механизма пиннинга вихрей магнитного потока на областях с пониженным значением сверхпроводящего параметра порядка (дефекты структуры, наноразмерные включения примесных фаз и др.). Для решения этой проблемы необходим поиск методов создания центров пиннинга, имеющих другой, альтернативный механизм закрепления вихрей. Перспективы в этом направлении появились после недавнего обнаружения нами нового необычного механизма усиления собственного пиннинга в ВТСП TmBa2Cu3Oy вследствие взаимодействия вихрей с магнитной подсистемой редкоземельного иона. В отличие от традиционного механизма пиннинга, эффективность данного магнитного механизма усиливается внешним магнитным полем и слабо зависит от температуры. Содержанием проекта является реализация магнитного механизма пиннинга в ВТСП на основе купрата YBa2Cu3Oy путем модификации его состава и микроструктуры. Предлагается провести частичное замещение иттрия на магнитный 3d-элемент (в первую очередь Fe, как наиболее перспективный с точки зрения ионного радиуса и валентности) с целью создания наноразмерной магнитной подсистемы. Важным аспектом такого вида замещения является его слабое влияние на электронные состояния сверхпроводящих CuO2 плоскостей, в отличие от любых изменений состава в медных подрешетках. К настоящему времени работы в данном направлении практически отсутствуют. В целях выполнения проекта будут синтезированы несколько серий образцов Y1-xFexBa2Cu3Oy с различным содержанием Fe в диапазоне 0≤x≤0.1. Предполагается использовать метод синтеза, основанный на специальной разновидности золь-гель технологии. Получаемая в результате ее применения высокодисперсная шихта имеет много важных преимуществ, в частности позволяет реализовать различную микроструктуру и проводить синтез равновесных образцов при пониженных температуре и времени отжига. Особое внимание будет уделено вопросу уточнения кристаллографических позиций, реально занимаемых Fe, определению области существования твердого раствора указанного состава, а также спинового и зарядового состояния ионов железа. При необходимости возможно получение дополнительной информации с привлечением мёссбауэровских исследований. Для полученных образцов будут проведены комплексные исследования структуры (рентгеновским и электронно-микроскопическим методами), а также электрических и магнитных свойств. Информация о температурных и полевых зависимостях величин пиннинга и критического тока будет получена бесконтактными методами как в постоянном, так и в переменном магнитных полях. Сравнительный анализ данных в зависимости от количества магнитных ионов в иттриевой подрешетке позволит разделить и количественно описать вклады в пиннинг различной природы. Результаты выполнения проекта будут способствовать развитию физических представлений о взаимодействии сверхпроводящей и магнитных подсистем в высокотемпературных сверхпроводниках. Будет определено влияние магнитной подсистемы, внедренной в структуру ВТСП, на его критические параметры (величину, температурную и магнитополевую стабильность критического тока, а также критические поля) и сделаны выводы о перспективах рассматриваемого вида модификаций состава и микроструктуры для улучшения практически важных характеристик материалов для ВТСП лент и керамических изделий.

Ожидаемые результаты
Для специально синтезированных (с использованием золь-гель технологии) серий образцов высокотемпературных сверхпроводников Y1-xFexBa2Cu3Oy (0≤x≤0.1) проведены комплексные исследования структуры, электрических и магнитных свойств. Определена область существования твердого раствора Y-Fe, уточнены кристаллографические позиции, занимаемые Fe в образцах разного состава, получена информация о концентрационных зависимостях параметров структуры (параметров и объема элементарной ячейки, величины орторомбического искажения) и сверхпроводящего состояния (температуры сверхпроводящего перехода, глубины проникновения магнитного поля, длины когерентности). Определены температурные и полевые зависимости пиннинга и критического тока. Из анализа изменений данных величин в зависимости от содержания железа выявлены вклады в пиннинг различной природы, в том числе влияние механизма взаимодействия вихрей магнитного потока с системой магнитных ионов. Работы в этом направлении являются пионерскими, полученные данные позволят сформулировать основные физические закономерности влияния наноразмерных магнитных подсистем, внедренных в ВТСП материалы, на их критические токи и поля. Важным результатом работ по проекту является возможность появления новых перспектив создания материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками для применения в сверхпроводниковых устройствах.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
С целью поиска новых методов усиления пиннинга и увеличения критического тока ВТСП материалов, изучено влияние допирования магнитным 3d- ионом Fe3+ немагнитной иттриевой подрешетки в ВТСП YBaCuO на его структурные, магнитные и токопроводящие характеристики. Выполнен синтез серии поликристаллических образцов ВТСП Y1–xFexBa2Cu3Oy (в диапазоне x от 0 до 0.05). Получено, что по мере увеличения содержания Fe существенно изменяются величины и вид полевых зависимостей плотности критического тока Jc. Зависимости Jc(H) становятся немонотонными и на них проявляется четко выраженный максимум (пик эффект), в результате происходит существенное увеличение критического тока в широких диапазонах температуры и магнитного поля. Проведен анализ полевых зависимостей силы пиннинга для образца с x = 0.05, выявлено скейлинговое поведение в интервале температур 50-75 K. Получено, что параметры скейлинговой функции отвечают пиннингу как на точечных, так и магнитных дефектах при сильном влиянии эффектов термоактивированного течения потока. Определены закономерности в изменении параметров кристаллической решетки в зависимости от x, наиболее сильными являются увеличение решеточного параметра a и уменьшение степени ромбического искажения. Проведен количественный анализ полевых зависимостей равновесной намагниченности, определены значения параметров сверхпроводящего состояния (лондоновской глубины проникновения магнитного поля и длины когерентности). Получено, что термодинамические свойства ВТСП YBaCuO (температура перехода в сверхпроводящее состояние, термодинамическое критическое поле) практически не изменяются при его допировании железом в исследованном диапазоне концентраций. Сделано предположение об отсутствии заметного взаимодействия электронной оболочки Fe3+ с системой свободных носителей ВТСП. Проведенный комплекс исследований показал, что соединение YBaCuO допускает замещение иттрия на железо вплоть до 5% без ухудшения сверхпроводящих свойств и уменьшения Tc. При такой степени допирования среднее расстояние между модифицированными элементарными ячейками составляет величину ~ 1.5 нм, которая оказывается порядка длины когерентности. В результате формируется наноразмерная система магнитных дефектов, взаимодействующих с вихрями магнитного потока и являющихся эффективными центрами пиннинга. Данное взаимодействие приводит к появлению пик-эффекта на полевых зависимостях критического тока и к значительному его увеличению (вплоть до 1 порядка величины в поле 1 Tл). Таким образом, слабое допирование железом (в количестве нескольких мольных процентов), применяемое наряду с другими методами увеличения пиннинга, является перспективным способом дальнейшего существенного улучшения токонесущих свойств ВТСП материалов на основе соединений 123-типа.

 

Публикации

1. Пигальский К.С., Вишнёв А.А., Ефимов Н.Н., Шабатин А.В., Трахтенберг Л.И. Enhancement of pinning and the peak effect in Y1–xFexBa2Cu3Oy high-temperature superconductors Current Applied Physics, Т. 41, С.116–122 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.cap.2022.06.019

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Работа второго года реализации проекта посвящена синтезу и исследованию свойств допированных железом высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на основе соединения YBa2Cu3Oy. По сравнению с первым годом, расширен диапазон концентраций внедренного железа до 8%, а также изучено влияние нестехиометрии в иттриевой позиции. Образцы с исходным составом (Y0.94Fe0.06)Ba2Cu3Oy, (Y0.92Fe0.08)Ba2Cu3Oy, (YFe0.05)Ba2Cu3Oy, (Y0.9Fe0.05)Ba2Cu3Oy получены с применением золь-гель технологии на начальном этапе синтеза. Проведены исследования структуры золь-гель шихты и показано, что в реализованном диапазоне концентрации железа его оксид не кристаллизуется, а железо оказывается равномерно распределенным по объему шихты. Этот результат указывает на перспективность применения золь-гель технологии для получения допированных материалов с равномерно распределенным по объему допантом. Подтверждено наличие примесной фазы BaCuO2 во всех железо- содержащих образцах (за исключением образца с избытком иттрия). Выявленные на первом этапе реализации проекта закономерности в изменении параметров решетки, степени ромбического искажения, критической температуры и количества примесной фазы сохраняются и по мере увеличения содержания железа до x = 0.08. Обнаружено, что при больших x > 0.05 внутри кристаллитов возникают слабые звенья, разбивающие объем кристаллитов на области с размером, соизмеримым с лондоновской глубиной проникновения. Из анализа средних линий магнитных гистерезисов намагниченности определены величины лондоновской глубины проникновения и длины когерентности. Получено, что с увеличением содержания железа увеличивается лондоновская глубина проникновения, уменьшаются термодинамическое критическое поле и плотность энергии образования сверхпроводящего состояния. В результате при x > 0.05 оказываются сильно подавлены эффективность пиннинга на структурных дефектах и критический ток. Сделан вывод о не перспективности увеличения степени допирования выше значений x = 0.05. Данные измерений восприимчивости нормального (несверхпроводящего) состояния показывают, что во всем диапазоне концентраций железа не изменяется спиновое состояние ионов Fe3+. Сделан вывод об отсутствии как обменного взаимодействия между магнитными ионами Fe3+, так и взаимодействия электронной оболочки Fe3+ с системой свободных носителей. Данный вывод, в сочетании с сильными эффектами пиннинга на замещенных железом позициях, показывает, что области пиннинга имеют двумерную природу и слабо влияют на сверхпроводящее спаривание в CuO2 плоскостях.

 

Публикации

1. Пигальский К.С., Вишнёв А.А., Балдин Е.Д., Трахтенберг Л.И. Синтез ВТСП Y1-xFexBa2Cu3Oy золь-гель и твердофазным методами Химическая физика, - (год публикации - 2024)

2. Пигальский К.С., Ефимов Н.Н., Васильев П.Н., Вишнёв А.А., Трахтенберг Л.И. Equilibrium magnetic properties of the Fe-doped HTSC YBaCuO Physica C^ Superconductivity and its applications, т. 612, с. 1354318 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.physc.2023.1354318

Возможность практического использования результатов
не указано