ЖЭТФ, 2021, том 159, вып. 3, стр. 541-545

ПОВЕРХНОСТНАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ ВАНАДИЯ

И. Н. Хлюстиков^*

Институт физических проблем им. П. Л. Капицы Российской академии наук

119334, Москва, Россия

Поступила в редакцию 18 ноября 2020 г.,

после переработки 15 декабря 2020 г.

Принята к публикации 16 декабря 2020 г.

Обнаружено, что в ванадии критическая температура поверхностной сверхпроводимости Tcs на 0.04 К

превышает критическую температуру сверхпроводимости объема Tcv. Незатухающие токи поверхностной

сверхпроводимости могут эффективно обеспечить захват магнитного потока. Оценка плотности крити-

ческого тока поверхностной сверхпроводимости дает величину порядка js = 5 · 10⁶ А/см² при T = Tcv.

DOI: 10.31857/S0044451021030147

2. ОБРАЗЕЦ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Исследовавшийся образец ванадия был сфери-

ческой формы. При его изготовлении из исходно-

1. ВВЕДЕНИЕ

го монокристалла вначале вырезался кубик, кото-

рый затем был обточен в вихревой воздушной ячей-

ке, внутренняя поверхность которой была выложе-

Явление поверхностной сверхпроводимости из-

на мелкой шкуркой. Поврежденный поверхностный

вестно давно, и его теоретическое описание, данное

слой удалялся химическим травлением. Диаметр из-

Де Женом [1], можно найти практически во всех

готовленного образца ванадия составил 1 мм.

посвященных сверхпроводимости книгах. При этом

Такой форме образцов соответствует точно опре-

совпадение критических температур объема и по-

деленное значение размагничивающего фактора

верхности принимается как постулат. Кроме того,

1/3. Кроме того, сфера очень привлекательна для

нигде не обсуждаются такие вопросы, как возмож-

бесконтактных магнитометрических исследований

ность захвата магнитного потока токами поверх-

поверхностной сверхпроводимости. На «экваторе»

ностной сверхпроводимости и каковы критические

образца, все точки которого эквивалентны друг

значения этих токов.

другу, внешнее приложенное магнитное поле везде

Исследованиям сверхпроводимости в ванадии

касательно к поверхности шара. Соответственно,

посвящено удивительно мало работ. В качестве при-

вблизи экватора следует ожидать возникновения

мера можно указать на работы [2,3]. Из них извест-

четко локализованных замкнутых сверхпрово-

но, что ванадий является сверхпроводником второ-

дящих контуров, порожденных поверхностной

го рода с параметром Гинзбурга - Ландау 1.8 [2] или

сверхпроводимостью.

0.78 [3]. Критическая температура T_c ванадия счи-

Измерения проводились при помощи SQUID-

тается равной 5.45 К.

магнитометра [6], который позволяет регистриро-

Известны также работы по исследованию сверх-

вать зависимости M(H) (магнитного момента об-

проводящих свойств малых частиц и пленок вана-

разца от внешнего магнитного поля) при фиксиро-

дия, например [4, 5].

ванной температуре, а также зависимости M(T) при

Целью настоящей работы являлось магнитомет-

фиксированном внешнем поле.

ричекое исследование сверхпроводящих свойств ва-

(H, T )-область проведенных исследований бы-

надия вблизи его критической температуры.

ла ограничена конечным динамическим диапазоном

системы регистрации магнитного момента. Отноше-

ние (максимальный регистрируемый сигнал)/(уро-

^* E-mail: KHLY@kapitza.ras.ru

вень шума) составило порядка 10⁷.

541

И. Н. Хлюстиков

ЖЭТФ, том 159, вып. 3, 2021

Рис. 1. а — Начальная часть записи зависимости M(H) при развертке приложенного к образцу поля от нуля. Темпера-

тура близка к критической. Штрихи — результат измерений при низких температурах. На врезке — результат численного

дифференцирования. б — Эволюция петель гистерезиса при приближении к критической температуре. Стрелки — на-

правление обхода петель

Измерения проводились при температурах от

указывает на то, что магнитное поле начинает про-

4.2 К до температур, примерно на 1 К превышаю-

никать в образец (рис. 1a). Представленная на ри-

щих критические температуры ванадия. Температу-

сунке экспериментальная запись и аналогичные ей

ра определялась по показаниям термопары медь-зо-

были сделаны после предварительных нагревов об-

лото, а малые смещения по температуре — по изме-

разца до его нормального состояния и охлаждений

нению режима нагревателя.

до выбранной температуры при H = 0.

Дополнительная калибровка установки проводи-

Поскольку размагничивающий фактор образца

лась по магнитному моменту одиночного витка, че-

точно известен, представляется обоснованным свя-

рез который пропускался хорошо контролируемый

зать наблюдаемое поле излома H^∗ с критическим

ток. Виток из медной проволоки 0.01 мм был намо-

полем объемной сверхпроводимости Hc1 = (3/2)H^∗.

тан на кварцевый каркас диаметром 1.6 мм.

При развертке внешнего поля до величин, пре-

восходящих поле H^∗, зависимости M(H) становятся

гистерезисными (рис. 1б). Обычно подобное поведе-

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

ние зависимостей M(H) связывают с проявлением

пиннинга.

При низких температурах, в пределах доступной

области наблюдений -2 Э < H < 2 Э, зависимости

В силу жесткой связи между Hc1 и H^∗ темпера-

M (H) оказались линейными и полностью обрати-

турная зависимость критического поля H^∗(T) поз-

мыми, без каких-либо признаков гистерезиса.

воляет определить критическую температуру для

При несколько более высоких температурах,

объема образца T_cv, как показано в правой части

вблизи критической, начальный участок зависимо-

рис. 2.

стей M(H) остается точно таким же, как и при

На этом же рисунке показаны результаты изме-

низких температурах, полностью обратимым. Одна-

рений магнитного момента образца при его охла-

ко при дальнейшем увеличении приложенного поля

ждении в постоянном, не изменяющемся магнитном

зависимости M(H) отклоняются от линейных, что

поле и без него. Следует особо подчеркнуть, что в

542

ЖЭТФ, том 159, вып. 3, 2021

Поверхностная сверхпроводимость ванадия

нитного момента наблюдаются ДО, а не ПОСЛЕ

прохождения внешнего поля через нуль. Еще одной

важной чертой предельной петли M(H) является ее

симметрия. И верхняя, и нижняя ветви петли четны

относительно поля наблюдения экстремума магнит-

ного момента.

Температурные зависимости амплитудной вели-

чины магнитного момента на предельной петле ги-

стерезиса представлены на рис. 4. При температу-

рах выше T_cs зависимости M(H) становятся линей-

ными и полностью обратимыми. Состояние образца

в этих условиях следует считать нормальным. Раз-

ность температур T_cs и T_cv составила 0.04 К.

Зарегистрированные зависимости магнитного

момента образца и характерный ромбообразный

Рис. 2. Температурные зависимости критического поля H^∗

вид предельной петли гистерезиса однозначно

и магнитного момента образца при его охлаждении в неиз-

свидетельствуют о существовании в образце при

менном внешнем поле

температурах между T_cv и T_cs тонкого сверхпрово-

дящего контура. Этот контур может располагаться

только на поверхности образца. Более того, можно

утверждать, что он локализован вблизи «экватора»

обоих случаях никакого заметного магнитного мо-

образца, поскольку нормальная компонента маг-

мента не возникает вплоть до температуры T_cv. Сле-

нитного поля подавляет поверхностную сверхпрово-

довательно, есть все основания утверждать, что при

димость. Таким образом, диаметр захватывающего

температурах выше T_cv никакой сверхпроводимости

магнитный поток контура равен диаметру образца.

в объеме образца не существует.

Подобный вывод подтверждается также тем, что на

Неожиданный результат появляется при раз-

начальном этапе записи частной петли, сразу после

вертке внешнего поля, если температура превыша-

изменения направления развертки приложенного

ет T_cv. Зависимости M(H) остаются гистерезисны-

поля, величина производной dM/dH соизмерима с

ми. Наличие гистерезиса на зависимостях M(H) од-

восприимчивостью образца в заведомо сверхпрово-

нозначно свидетельствует, что и при температурах

дящем состоянии.

больших T_cv остается возможность захвата образ-

цом магнитного потока. Важно также, что при оста-

Отсюда, используя проведенные калибровки, по-

новке развертки поля магнитный момент остается

лучается, что критический ток I_c (контурный ток на

неизменным, т. е. индуцированный изменяющимся

предельной петле гистерезиса) при T_cv может дости-

внешнем полем ток не затухает.

гать величин 50 мА. Координатная ось в единицах

Кроме регистрации частных петель удается по-

тока также показана в правой части рис. 4.

казать существование предельной петли, на кото-

Смещение экстремальных значений магнитного

рую зависимости M(H) выходят при достаточно

момента на предельной петле гистерезиса относи-

широком диапазоне развертки прикладываемого по-

тельно нуля внешнего поля вызывается индуциро-

ля (рис. 3a). Эта предельная петля оказывается од-

ванным в контуре током. Поле этого тока снаружи

ной и той же независимо от того, в нулевом или ко-

образца направлено против разворачиваемого поля,

нечном поле производилось предварительное охла-

соответственно, нулевые значения на поверхности

ждение образца.

реализуются раньше, чем внешнее поле становится

При увеличении температуры амплитуда наблю-

равным нулю. В проведенных экспериментах смеще-

даемой предельной петли гистерезиса, как показано

ние максимума M относительно нуля приложенного

на рис. 3б, уменьшается. При этом все ее характер-

поля составило примерно 1 Э (см. рис. 3). Это поз-

ные черты полностью сохраняются.

воляет сделать оценку протяженности сверхпрово-

Принципиальное отличие полученных зависимо-

дящего токонесущего контура вдоль «меридиана».

стей M(H) на предельной петле гистерезиса от по-

Она составила

0.2 мм (при токе 50 мA поле в 1 Э

хожих зависимостей, обусловленных пиннингом, за-

на поверхности проволоки возникает при ее диамет-

ключается в том, что экстремальные величины маг-

ре 0.2 мм).

543

И. Н. Хлюстиков

ЖЭТФ, том 159, вып. 3, 2021

Рис. 3. a — Выход зависимости M(H) на предельную петлю гистерезиса при последовательном увеличении амплитуды

развертки поля. Начальная точка - в начале координат. б — Изменение (уменьшение) предельной петли гистерезиса при

повышении температуры. Стрелки — направление обхода петель

Следует также отметить, что эта оценка нахо-

дится в полном согласии с результатами компьютер-

ного моделирования [7].

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, полученные экспериментальные

результаты показывают, что поверхностную сверх-

проводимость никак нельзя считать пренебрежимо

малым, «слабым» эффектом. Поверхностная сверх-

проводимость заметно экранирует внешнее магнит-

ное поле, а плотность зарегистрированных, возбуж-

даемых в поверхностном слое, незатухающих элект-

Рис. 4. Температурные зависимости H^∗(T ) и амплитудной

рических токов соизмерима с плотностью «токов

величины магнитного момента на предельной петле гисте-

распаривания» сверхпроводимости объема.

резиса

Кроме того, показано, что существует конечный

интервал температур, в котором реализуется толь-

Считая, что наблюдаемые поверхностные токи

ко поверхностная сверхпроводимость. При охлажде-

текут в слое порядка глубины проникновения (500-

нии сначала при температуре T_cs возникает поверх-

1000Å), можно также дать оценку средней плотно-

ностная сверхпроводимость, и только при дальней-

сти протекающего по контуру тока j_с = 5·10⁶ А/см²

шем охлаждении до температур меньших T_cv появ-

при T = T_cv. Такая величина плотности тока, пре-

ляется сверхпроводимость объема. Аналогичная си-

восходящая параметры технических сверхпроводни-

туация наблюдалась ранее при исследовании образ-

ков при самых низких температурах, достигается

цов свинца [8].

всего на 1 % ниже критической температуры пере-

хода поверхности образца в сверхпроводящее состо-

Полученные экспериментальные результаты по-

яние. Следовательно, характерным масштабом для

казывают, что поверхностную сверхпроводимость

зарегистрированных контурных токов поверхност-

следует рассматривать как самостоятельное явле-

ной сверхпроводимости являются «токи распарива-

ние, сверхпроводимость в «двумерной» системе.

ния».

544