Abstract:Superconductivity is achieved through macroscopic phase coherence; the charge carriers are Cooper pairs. In absence of an external magnetic field and applied current, the behavior of these Cooper pairs can be described by a single wave function $ \psi = {\psi _{\rm{0}}}{e^{i\varphi }}$, and the phase is uniform over the space. When applying an external field but still below a certain threshold, a screening current will be established at the surface, which prohibits the entering of magnetic field, that is so-called Meissner effect. When the external field is larger than this threshold, the magnetic flux will penetrate into the sample, forming the interface of superconducting and normal state regions. According to the sign of this interface energy, we can categorize superconductors into type-I (positive interface energy) and type-II (negative interface energy). Most superconductors found so far are type-II in nature. Due to the negative interface energy in type-II superconductors, the penetrated magnetic flux will separate into the smallest bundle, namely the quantum flux line, with a quantized flux ${\varPhi _0} = h/2e$ (h is the Planck constant and e is the charge of an electron). There are weak repulsive interactions among these vortices, thus usually they will form a lattice, called mixed state. When applying a current, a Lorentz force will exert on the flux lines (vortices) and will make them to move, this will induce energy dissipation and the appreciable feature of zero resistance of a superconductor will be lost. By introducing some defects, impurities or dislocations into the system, it is possible to pin down these vortices and restore the state of zero resistance. The study concerning vortex pinning and dynamics is very important, which helps not only the understanding of fundamental physics, but also to the high power application of type-II superconductors. This paper gives a brief introduction to the vortex dynamics of type-II superconductors. Keywords:high temperature superconductors/ flux dynamics/ cuprate superconductors/ iron based superconductors
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--> --> --> 1.II类超导体的磁滞回线和不可逆磁场在Ginzburg-Landau理论[1]基础上, 可以推导出在磁场侵入超导体以后形成正常和超导的界面, 其界面能的值可以为正, 也可以为负. II类超导体的界面能为负, 侵入的磁场会分离成${\varPhi _{\rm{0}}} = h/2 e = 2.07 \times {10^{ - 15}}\;{\rm{Wb}}$的磁通束, 被称为磁通线. 磁通线的结构可以简单理解为具有直径约2ξ的正常芯, 并在直径约为2λ的圆柱区域内环绕的超导电流形成的复合体, 这里ξ是相干长度, λ是磁场穿透深度. 如果在垂直于磁场方向外加电流J, 则单根磁通在单位长度上会受到一个洛伦兹力$f = {\varPhi _0}J$, 因此磁通会运动. 磁通运动会带来能量的耗散, 通常会利用缺陷、杂质或位错把它们钉扎住, 因此需要研究磁通钉扎和磁通动力学. II类超导体的磁滞回线, 即磁化强度随外磁场的变化曲线, 在没有磁通钉扎的时候, 在外磁场超过Hc1以后, 不考虑边界势垒的情况下, 磁通线会迅速进入到超导体中, 形成混合态. 这个状态是没有临界电流的. 因此只有在超导体中引入缺陷、杂质或位错等对磁通线构成钉扎作用. 在图1(a)中, 给出了一个II类超导体在升磁场过程中的磁化曲线; 图1(b)所示的是相应的磁感应强度随外磁场的变化曲线. 在外磁场小于下临界磁场Hc1, 即H < Hc1的时候, 超导体处于完全抗磁的迈斯纳态, H = –M, B = 0; 在H ≥ Hc1的时候, 超导体就进入到混合态, 磁场再增加, 磁化强度的绝对值就会减小, 到H = Hc2的时候, 磁化强度逐渐变成零. 当超导体中没有磁通钉扎的时候, 磁化曲线会沿着原路返回, 此时的磁化主要是样品表面处的电流所提供, 也称为平衡态磁化强度. 然而当超导体中有缺陷、杂质或位错所构成的钉扎中心和边界势垒的情况下, 磁化强度曲线会出现一定的回滞效应. 图2所示的是通过冷加工轧制NbTi样品的磁滞回线. 可以看见其磁滞回线的宽度随加工条件的不同有很大变化. 后面会看见, 这里磁滞回线的宽度反映的就是超导体中测量到的瞬态临界电流的大小. 图 1 II类超导体的 (a)磁化强度曲线和(b)磁感应强度随外磁场的变化示意图. Hc1和Hc2分别是下和上临界磁场, Meissner和Mixed state分别表示迈斯纳态和混合态区域 Figure1. Schematic plot of (a) magnetization and (b) magnetic induction with the variation of external magnetic field H. Hc1 is lower critical magnetic field and Hc2 is upper critical magnetic field. Meissner state and Mixed state are labelled as “Meissner” and “Mixed state” respectively.
图 2 II类超导体NbTi的磁滞回线. 在冷加工的样品中, 由于存在很多缺陷和位错, 会有磁通钉扎中心的存在, 因此磁滞回线就变成不可逆的 Figure2. Magnetic hysteresis loops (MHLs) of type II superconductor NbTi. In the cold-annealed samples, MHLs are irreversible in a large field region due to the existence of defects and dislocations which form the flux pinning centers.
由于在液氮冷加工或短时间退火处理的样品中有很多缺陷或位错, 所以磁通钉扎中心很多, 临界电流很高, 磁滞回线中的升磁场和降磁场部分就有很大差别. 相反, 经过在330 K退火处理46天的样品, 其磁滞回线变得很窄, 表明磁通钉扎很弱了, 临界电流就变得很小. 对于II类超导体, 有个Ginzburg-Landau因子κ = λ/ξ, 即穿透深度和相干长度之比. 高温超导体, 包括铜氧化物超导体和铁基超导体, 都是属于κ值很大的II类超导体, 磁滞回线均是不可逆的. 在图3(a)和图3(b)中给出了铜氧化物超导体YBa2Cu3O7–δ的磁滞回线[2]. 可以看出, 同样一块YBa2Cu3O7–δ样品, 通过在氧气氛中进行处理, 最后磁滞回线会变得较窄, 显示临界电流变小. 在图3(c)和图3(d)中给出了铁基超导体Ba0.6K0.4Fe2A2的磁滞回线[3]. 一般来说, 超导体磁滞回线在零磁场附近会出现一个峰值, 这是由于外磁场进出超导体边界所造成的磁滞效应. 然后磁化强度曲线宽度会随着磁场的升高而下降. 图 3 (a), (b)铜氧化物超导体YBa2Cu3O7–δ在40和78 K的磁滞回线, 实心点和空心点分别对应的是氧缺位较多和在氧气中后处理的样品; (c), (d)铁基超导体Ba0.6K0.4Fe2A2在不同温区的磁滞回线[2] Figure3. (a), (b) MHLs of cuprate superconductor YBa2Cu3O7–δ with oxygen-deficient (solid point) and oxygen-rich states (hollow point) at 40 and 78 K; (c), (d) MHLs of iron-based superconductor Ba0.6K0.4Fe2A2 at different temperatures[2].
在众多的超导体中, 人们发现, 磁化强度曲线会随着外磁场的增加而变大, 出现第二个峰效应. 在磁场不是非常高的时候, 该磁化强度第二峰还没有来得及出现, 因此磁滞回线上出现一个鱼尾巴的形状, 因此该现象也叫“鱼尾效应”, 见图3(a)和图3(c)的磁化强度曲线. II类超导体都具有一个不可逆磁场和温度相变线Hirr(T), 其物理实质是磁通固态和液态的分界线. 所谓磁化曲线的不可逆是指在测量磁化曲线的过程中有升磁场和降磁场两部分, 当两个部分重合的时候, 就是所谓可逆的区域; 如果不重合, 就是不可逆的. 其分开点通常被称为该温度下的不可逆磁场Hirr(T). 不可逆磁场曲线的测量有多种方法. 除了刚刚介绍的磁滞回线, 还可以测量零磁场下冷却, 加上磁场然后升温的磁化强度(zero-field-cooled)和在磁场中冷却再升温测量的磁化强度(field-cooled), 两支M(T)曲线的分开点也对应不可逆曲线位置. 图4给出了利用这个方法如何确定Bi2Sr2CaCu2O8 (Bi-2212) 样品的不可逆点的曲线[4]. 此外, 也可以在磁场固定的时候, 测量电阻随温度变化的曲线, 电阻为零的温度通常称为不可逆温度. 原因很简单, 因为在不可逆线以下的磁场和温度条件下, 系统处于磁通固态, 磁通运动会被抑制, 因此磁化强度会出现不可逆现象, 此时的线性电阻${\rho _{{\rm{lin}}}} = {\rm{d}}E/{\rm{d}}j{|_{j \to 0}}$为零值. 图 4 Bi-2212超导体的磁化强度随温度的变化. 图中实心点是在ZFC过程中测量的数据, 空心点是FC过程测量的数据 (磁场平行于c-轴) Figure4. Temperature dependence of magnetization for Bi-2212 with zero-field-cooled (ZFC) measurement (solid point) and field-cooled (FC) measurement (hollow point) when magnetic field is parallel to c-axis.
2.钉扎中心性质和钉扎力来源超导体中的任何缺陷、杂质或位错, 只要对GL自由能中的某一项或几项造成影响, 都会产生磁通钉扎的效应(见图5). 根据这些缺陷的性质, 钉扎类型基本可以分为δTc-钉扎、δκ-钉扎[5]、平均自由程不均匀的时候会产生对超导电子动能的调制, 形成δl-钉扎[6], 此外还有磁性颗粒钉扎[7]、Bean-Livingston界面钉扎[8]、几何位型钉扎等[9]. 图 5 磁通钉扎示意图. 竖直方向的弯曲的管状表示的是磁通, 实心点表示的是缺陷 Figure5. Schematic show of flux pinning. The vertical curved tube represents the magnetic flux, and the solid spots represent defects.
这里的ΔM是磁滞回线的宽度, 单位是emu/cm3, 1 emu = 10 A·cm2, a和b的单位是cm, Js的单位是A/cm2. 这里必须指出的是, 在实际情况下, 这个公式前面的因子会有所变化, 如10到30. 对于圆盘状的超导体, 半径为R的时候, ${J_{\rm{s}}} = 3{\rm{0}}\Delta M/2 R$, 这里 ΔM单位是emu/cm3, R的单位是cm. 在很多超导体中, 这种Bean临界态的假设只是近似成立, 因此磁滞回线不像图8中演示的那样平, 而是随外磁场变化而变化的. 在图9中给出了Tl-2212薄膜中测量到的磁滞回线, 可以看出其宽度随着外磁场的增加而减小, 特别是在高温的时候更是如此[12]. 图 8 Bean临界态模型下的磁化强度曲线(红色实线)和磁感应强度在空间分布的示意图(小矩形框图, 深颜色地方的高度显示的是磁感应强度的大小) Figure8. Distribution of magnetization (red solid line) and magnetic flux density (dark areas represent the height of magnetic flux density in small rectangular diagrams) according to Bean critical state model.
图 9 Tl2Ba2CaCu2O8超导薄膜在外磁场平行于c-轴(膜厚度方向)时的磁滞回线[12]. 这里大部分的磁滞回线显示的是正磁场的部分, 只有40 K的数据显示了一个完整的正负磁场的磁滞回线 Figure9. MHLs of Tl2Ba2CaCu2O8 superconducting thin films with external magnetic field parallel to c-axis[12]. Most of the MHLs are only shown for the part of positive magnetic field; except for that at 40 K it shows a complete MHL which includes both positive and negative field parts.
磁通在被钉扎住以后, 处于平衡态, 在没有外加电流的时候是没有平均位移的, 即它被钉扎在平衡位置附近, 其情形如图10 (j=0的情形)所示. 有外加电流的时候, 磁通在洛伦兹力作用下会运动, 这种运动被称为热激活运动过程, 即在热激活能kBT的帮助下, 磁通从势阱中以热激活的方式脱离钉扎点, 而运动到下一个钉扎点. 图 10 磁通的热激活运动模型, 蓝色的波浪线示意磁通钉扎的势垒在空间变化情况. 红色圆点显示的是一根磁通 Figure10. Schematic of thermally activated flux motion model. Blue wavy lines represent the spatial distribution of flux pinning barrier. The red spot represents a single flux line.
在以上的描述中, 当电流密度小于临界电流jc时, 发生的是热激活磁通运动. 通常这种运动方式被称为磁通蠕动, 其物理过程如图11所示. 磁通在向右的洛伦兹力作用下,会从状态1,运动到状态2. 这里红色点是钉扎中心位置。磁通线以这种一截一截逐段方式的运动被称为磁通蠕动。在磁化强度弛豫过程中, 由于磁通运动, 磁化强度随时间的变化也一定会产生电场. 从方程(14) 和方程(15) 出发并考虑到磁通运动产生的电场大约可以写为 E∝–dM/dt和M∝j, 不难得到超导体的磁化强度M随时间的对数依赖关系, 即 图 11 磁通蠕动示意图. 红色圆点是磁通钉扎中心, 黑色粗线是磁通的初始状态, 在洛伦兹力作用下, 磁通向右边运动, 其中用蓝色虚线标识的一段磁通运动到下个钉扎点, 然后其他段再逐次蠕动 Figure11. Schematic of flux creep. Red points represent flux pinning centers and black thick line is the initial flux state. Under the action of Lorentz force, the flux starts to move toward right direction. During the process, the blue dashed part firstly moves to next pinning center and then other parts creep gradually.
此处, t0由v0等因子决定. 当把(17)式用于高温超导体在低温下的数据时, 发现基本上符合, 但是到中温和高温区, 这一关系明显得不到满足. 图12给出了在Tl2Ba2CaCu2O8超导薄膜中测量到的超导体磁化强度(大约正比于超导体瞬态临界电流)随时间的变化[12]. 可见该超导体,由于有很强的层状特性,磁通运动是很剧烈的. 对于热激活能U(j)的关系,人们从实验数据中总结出了大量的经验规律, 如$U(j) \propto 1/{j^\mu }$关系, 给理论研究人员以很大的启示. 就在此后不久, 美国IBM的Fisher等[14]提出了涡旋玻璃理论, 前苏联的科学家Feigel’man等[15]提出了集体蠕动 (钉扎) (collective pinning)的理论, 从而开创了高温超导体中磁通动力学研究的新的思路. 这两个理论可谓异途同归, 都能很好地解释高温超导体的磁通动力学. 下面会对磁通玻璃态或集体钉扎模型展开描述. 图 12 Tl2Ba2CaCu2O8超导薄膜中测量到的超导体磁化强度(大约正比于超导体瞬态临界电流) 随时间的变化[12]. 测量磁场是0.4T, 测量温度是4.5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40K (从上往下) Figure12. Magnetization of Tl2Ba2CaCu2O8 superconducting thin films (approximately proportional to time-variation of the transient critical current in superconductor)[12]. The measurement was taken under a magnetic field of 0.4 T, and at 4.5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 K (from top to bottom)
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4.3.磁通玻璃和集体钉扎模型
Anderson-Kim 模型中的基本假设是参与运动的磁通线或磁通束的长度或体积不随外电流变化. 这在磁通线的刚性较强和单元钉扎中心较强时是基本成立的, 尽管物理本质上也是不对的. 从物理本质上说, 任何磁通运动都破坏超导序的长程相位关联. 但是, 在高温超导体中, 磁通线 (束) 比较柔软(穿透深度λ很大, 磁通自能很小, 而且有强的层状特性), 而且单元钉扎中心钉扎势较弱且钉扎中心密度很高, 这就构成了众多的钉扎中心对磁通线的集体钉扎. 根据集体钉扎模型, 最可能跳跃的磁通长度随外电流是变化的. 当外加的电流密度j与临界电流密度Jc接近时, 最可能跳跃的长度是集体钉扎的长度${L_{\rm{c}}} = \xi {({j_{\rm{c}}}/j)^{1/2}}$; 可是, 当$J \ll {J_{\rm{c}}}$时, 最佳的跳跃方式是一段较长的磁通线或较粗的磁通束从外电流中获取足够的弹性能量而跳过一个不太高的势垒U(j). 这就意味着磁通的最佳跳跃长度或体积会随着j的变化而改变. 图13示意性地说明了这种非线性U(j) 关系的来源. Vinokur等从三维介质中的弹性弦理论出发推导出了激活能U和电流j的关系 图 13 集体钉扎情况下, 非线性U(j) 关系来源示意图. 当外电流j与临界电流jc接近时, 最可能跳跃的长度是一个较短的集体钉扎长度Lc,此时的热激活能比较小. 当外电流远远小于临界电流时, 最佳的跳跃方式是一段较长 (长度为L) 的磁通束从外电流中获取更大的能量, 然后跳跃一个相对较高的势垒U, 而$L/{L_{\rm{c}}} > {j_{\rm{c}}}/j$. 因此热激活跳跃的最可能的长度或体积将会随着洛伦兹力(或电流)的变化而非线性变化. 该图取自文献[21] Figure13. Schematic of the origin of nonlinear U(j) relation in collective pinning model. When external current j is close to critical current jc, the optimized jump length is a short collective pinning length Lc. If j is far less than jc, the best way to jump is a long (L-length) flux line or bundle to obtain sufficient energy from external current j and then jump a relatively high barrier, and $L/{L_{\rm{c}}} > {j_{\rm{c}}}/j$. Therefore, the optimized hopping length or volume of thermally activated flux motion will change along with the Lorenz force (current). The figure is adopted from the literature[21].
这个关系尽管只从形式上作了改进, 但是它却能够描述几乎所有各种形式的U(j) 关系. 如μ = –1时, 对应的是著名的Anderson-Kim线性U(j) 模型; μ = 0时, 对应的是所谓的Zeldov指数模型, $U(j) \propto \ln ({j_{\rm{c}}}/j)$, 反映的是输运实验中经常观察到的$E \propto {j^\alpha }$, 该公式在超导体的工程应用中被广泛使用; j$\ll $jc自然就过渡到了涡旋玻璃或集体蠕动的模型$U(j) \propto 1/{j^\mu }$. 该理论的一个直接结果是在小电流极限情况下, 有效热激活能是无穷大, 因此没有线性电阻. 这就改善了Anderson-Kim模型在小电流情况下也有电阻的困局. 为了验证这样一个非线性的$U(j)$关系和从中找到与磁通运动本质相关的一些物理过程, 人们提出过一些行之有效的方法来确定U(j)关系. 常用的方法包括四种: Maley的标度法[17], 磁化弛豫拟合方法[18], 广义反演方法[19,20], 磁化弛豫率随温度变化分析法(即T/S与T的低温段斜率,这里S是磁化弛豫率)[20]. 这些方法是为了解释高温超导体中强而复杂的磁通运动行为而提出的, 反过来对描述常规超导体和其他各类超导体中的运动行为均有效. 因为篇幅有限, 这里对这些方法不再仔细展开来讲, 有兴趣的读者可以参阅所给出的文献. 新的涡旋玻璃或集体钉扎模型与传统的Anderson-Kim模型的一个本质区别表现在j→0的极限情况下, 即所谓线性电阻$\rho_{\rm lin} = (E/j)_{j\to 0}$是为零或有限值的争论. 从方程(14) 和方程(15)出发可以看出, 混合态磁通总有一个耗散, 即使j→0, 这就意味着没有真正意义上的超导态. 但是如果如磁通玻璃模型所描述的那样, 即$U(j) \propto 1/{j^\mu }$, 则j→0时, 势垒为无穷大, 因此磁通不会运动而耗散为零. 而这一结论的前提是在j→0时的最佳跳跃长度L(j) 不会有一个截止, 也就是说超导体的序参量仍然具有长程的超导相位关联, 与迈斯纳态的区别是超导体序参量的相位在空间有变化, 但是不随时间变化, 也可以叫相位锁定, 耗散为零. 线性电阻一般反映平衡态的性质, 线性电阻为零表示磁通玻璃态具有电阻为零的特性. 这个要求刚好是传统的混合态理论所没有顾及到的. Fisher[14]意识到, 就像在Meissner态, 超导体中的各处相位是相干的, 在低温下的混合态, 由于磁通钉扎的参与, 超导体中各处的相位可能会不同, 但是其空间上的相位关联会被冻结下来, 从而磁通体系也会被冻结下来, 这是有零电阻态的真正原因. 任何磁通运动对应于2π的相位滑移过程. 由于这样一个图像与自旋玻璃的图像非常相象, 因此Fisher把它定义为涡旋玻璃态[14]. 而且从理论上论述了存在一个二级涡旋玻璃融化相变. 因此可以说涡旋玻璃理论与集体钉扎和集体蠕动的理论相辅相成. 涡旋玻璃理论预言的融化温度Tg以下的磁通运动方式是集体蠕动, 而集体钉扎和集体蠕动理论在小电流的情况下又需要涡旋玻璃态的概念. 在图14中给出了在新的图像下的耗散行为, 在传统Anderson-Kim图像下, 由于总是存在线性电阻, 因此没有图中虚线(相变线)及以下的部分. 图 14 涡旋玻璃图象下的耗散行为. 在T = Tg, 发生了磁通固态的二级融化相变. 在融化温度以上, 有一个线性电阻存在, 其耗散可以用热激活磁通流动模型描述. 融化温度以下对应着涡旋固态, 尽管磁通位置的空间有序不再存在, 但是超导的长程位相关联仍然存在, 因此系统线性电阻为零. 类比于自旋玻璃态, Fisher把它定义为涡旋玻璃态[14] Figure14. Schematic of dissipation in vortex glass picture. A second-order melting phase transition occurs at T = Tg. A linear resistance exists above the melting temperature, and its dissipation can be described by thermally activated flux flow model. There is vortex solid state below the melting temperature. Even though the order of flux lattices no longer exists, the long-range superconducting phase correlation still exists, so the linear resistance of the system is zero. As an analogous to spin glass, Fisher defined it as vortex glass[14]
(21)式表明, 线性电阻在温度低于玻璃转变温度后会变成零, 说明存在真正的零耗散态. 图15中给出了Koch等[22]在微米尺寸的YBa2Cu3O7–δ (YBCO)薄膜上所测量到的E(j) 曲线和标度的情况. 所得到的ν ≈ 1.7和z ≈ 5值在不同磁场下几乎一致. 类似的工作在随后的时间里不断被人重复, 大部分结果是一致的, 从而给出了支持涡旋玻璃态理论的证据. 我们也结合电输运和磁化强度弛豫的方法, 得到宽电场范围内的磁通运动耗散规律 (图16), 发现即便电场强度在低到10–9 V/m的情况下, 其耗散规律仍然满足磁通玻璃态的描述, 因此我们的数据进一步证明了涡旋玻璃理论的正确性[23]. 尽管如此, 有关这一理论的争论仍然存在, 并需要更灵敏的实验或有新的物理构思的实验去验证. 图 15 验证涡旋玻璃最早的数据之一. 磁场为0.5 T (a) 和4 T (b) 时在YBCO薄膜制备的微桥上测量到的E-j耗散关系. Koch等[22]将不同磁场下测量到的数据利用二级相变的标度率进行标度发现其临界指数均接近z ≈ 5, ν ≈ 1.7 Figure15. One set of the earliest data to verify vortex glass. E-j dissipation relation measured on YBCO thin film micro-bridge at 0.5 T (a) and 4 T (b). Koch et al.[22] scaled the data measured under different magnetic fields by using the scaling of second-order phase transition, and found that the critical exponents are close to z ≈ 5, ν ≈ 1.7.
图 16 YBa2Cu3O–δ薄膜在宽电场范围内的耗散关系. 上部分为电输运测量结果, 下半部分为磁感应测量到的磁化强度弛豫结果. 经过分析, 即便在非常低的电场下(10–9 V/m), 其耗散也非常低, 而没有出现一个恒定大小的电阻, 磁通运动耗散仍然可以用涡旋玻璃模型来描述, 因此进一步证明了涡旋玻璃的存在 Figure16. Dissipation relation in a wide range of electric field of a YBa2Cu3O7–δ thin film. The upper part is the result of electric transport measurement, and the lower part is the result of magnetization relaxation measured by magnetic induction. After analysis, even in very low electric field (10–9 V/m), the dissipation is very low, and there is no constant resistance. The magnetic flux dissipation can still be described by the vortex glass model, and therefore, the existence of vortex glass is further proved.
磁通除了前面所说的较均匀的蠕动和流动等运动方式以外, 还有一种突变性的雪崩运动方式, 叫磁通跳跃. 其发生的原因是在大电流或存在高磁通密度梯度的情况下, 磁通运动会在局域位置造成大量的热量, 而热量无法迅速被系统带走, 造成局域温度的升高, 而升高的温度会带来磁通的进一步运动, 因此产生雪崩式的放大效应. 图17显示了铁基超导体Ba0.6K0.4Fe2As2在T = 2, 5, 10, 15, 25 K的磁滞回线[3]. 在2和5 K的磁滞回线上面, 出现了一些不连续的跳变, 这就是由于磁通跳跃所造成的结果. 这里可以看出, 磁通跳跃在低温的时候容易发生, 这是很好理解的, 因为1)低温下的磁化临界电流很大, 因此洛伦兹力很大; 2)低温下用于导热的正常态电子很少, 因此热量不能及时被导走. 到达并高于10 K的时候, 磁通跳跃效应就没有了, 因此磁化曲线变得很光滑. 一般能隙为S波对称性的超导体更容易发生磁通跳跃效应, 原因是该类超导体在低温下的正常态电子很少. 在做超导磁体的导线的时候, 避免磁通跳跃是个重要的科学问题. 其解决方法是将超导线, 如NbTi线做成很细的纤维状导线, 埋在导热性能很好的铜基底材料中, 铜和超导线所占的比值叫铜超比. 当然这种技术的另外一个优点是在超导导线中, 由于迈斯纳态的作用, 电流一般倾向于在超导线的表面聚集. 做成细丝以后, 有利于超导电流在更多表面处流动,因此增加了整根超导导线的载流能力。 图 17 铁基超导体Ba0.6K0.4Fe2As2在不同温度的磁滞回线. 在2和5 K的磁滞回线上面, 出现了一些不连续的跳变, 这是磁通跳跃所造成的雪崩效应的结果. 磁通跳跃过程可以用磁光实验直接看见[3] Figure17. MHLs of Ba0.6K0.4Fe2As2 at different temperatures. There are discontinuous jumps on the MHLs of 2 and 5 K, which is the result of avalanche effect caused by flux jump. The process of flux jump can be seen directly by magneto-optical experiment[3].
5.磁通钉扎和磁通动力学发展新动向25.1.混合态相图的丰富和复杂性 -->
5.1.混合态相图的丰富和复杂性
如图18(a) 所示, 在早期的II类超导体的磁场-温度相图上只有两个相变线, 即Hc1(T)和Hc2(T), 在它们之间即为混合态. 高温超导体出现之后, 人们发现, 其磁通运动更为剧烈, 尤其是在高温区域. 究其原因, 主要是因为热动能kBT与相干体积内的凝聚能相比已经变得很大, 通常把这个比值称为Ginzburg数${G_i} = {({k_{\rm{B}}}{T_{\rm{c}}}/H_{\rm{c}}^2\varepsilon {\xi ^3})^2}/2$, 这里$\varepsilon = {m_{ab}}/{m_c}$是有效质量的各向异性度. 在高温超导体中, 由于小的相干长度和高的各向异性(ε$\ll$1), Gi数值很大, 意味着有非常强的热涨落效应. 因此在低于上临界磁场Hc2(T)线以下有很大的一块区域, 磁通态不是处于固态, 而是液态, 没有超导临界电流, 而是有非零的线性电阻. 这个区域的磁通运动属于磁通流动态. 因此高温超导体的相图如图18(b)所示, 有很大一块区域是处于液态. 在相图上有一根转变线, 通常称之为不可逆线Hirr(T), 在它之下的区域磁通处于固态, 磁通在电流作用下会发生弹性蠕动, 在小电流极限下的线性电阻为零; 而在其之上, 没有零电阻态, 也没有超导临界电流. 这条线之所以被称为不可逆线, 是指磁通钉扎的过程是否是可逆的. 比如, 在零磁场冷却(ZFC)再加磁场, 和有磁场冷却(FC)后升温过程中测量到的磁化强度是否是重合的, 如果是重合的就称为是可逆的, 如果是不重合的, 就称为不可逆. 磁化强度的可逆对应的是没有临界电流区域, 而不可逆区域对应的是有临界电流. 一般这条线很好地反映了所研究材料的强电应用的潜力. 图 18 (a) 常规超导体或三维性较强超导体的磁场-温度相图. 磁通运动的不可逆线与上临界磁场很接近; (b) 二维性较强的磁场-温度相图, 在上临界磁场以下的一个很大区域内出现磁通液态, 没有临界电流. 在更低的温度,会出现一个涡旋玻璃态, 其磁场和温度的上边界线对于不可逆线. 有理论预言在Hc1附近, 由于磁通密度很低, 磁通线间的相互作用很弱, 因此也可能出现一个磁通液态. 但是实验上对于这个钉扎液态不好界定, 因为没有线性耗散的出现 Figure18. (a) H-T phase diagram of conventional superconductors or superconductors with stronger three-dimensional properties. The irreversible line of flux motion is close to upper critical magnetic field; (b) H-T phase diagram of superconductors with stronger two-dimensional properties. There is flux liquid and no critical current in a large region below upper critical magnetic field. In the region at lower temperatures, there is a vortex glass state with zero linear resistance. The upper boundary of this vortex glass state is the irreversibility line Hirr(T). It is predicted that there may be a vortex liquid state near Hc1 as the flux density is very diluted and the interaction between flux lines is very weak. However, it is difficult to prove the existence of this pinned liquid state near Hc1 experimentally as there is no linear dissipation.
这里a0是磁通晶格长度, αL是与Lindemann常数CL和各向异性度ε相关的一个量, 一般CL = 0.15–0.25; t = T/Tc, b = H/Hc2 . Houghton等用(25)式对钇钡铜氧超导体的不可逆线进行拟合[26], 理论曲线与实验数据能很好地符合. 实际上, (25)式给出的融化线只是一个唯象的描述. 25.2.磁滞回线的第二峰效应 -->
5.2.磁滞回线的第二峰效应
在第II类超导体中, 当外磁场超越下临界磁场Hc1以后, 超导并没有马上被破坏掉, 而是形成混合态, 因此样品仍然处于超导态. 其磁滞回线一般在零磁场附近会表现出一个峰值. 随着磁场的继续增加, 磁化强度和磁滞回线的宽度会下降, 这是由于临界电流随着外磁场的增加而下降. 但是在很多II类超导体中, 人们发现其磁化曲线或磁滞回线随外磁场增加会出现第二峰效应, 也叫“尖峰效应”或“鱼尾效应”. 因为磁化强度曲线的宽度与临界电流密切相关, 因此该效应肯定与临界电流有关. 早在1960年, Le Blanc和Little首先观察到常规超导体中的临界电流尖峰效应[27]. 常规超导体的尖峰效应以2H-NbSe2为典型代表, 其磁滞回线如图19(a)所示, 特征是在磁场靠近上临界场Hc2的时候, 存在着一个尖峰. 早在1969年, Pippard[28]就认为尖峰效应和磁通晶格的软化有关, Larkin和Ovchinnikov[29]给出了集体钉扎的概念, 并在此基础上讨论了磁通晶格软化和尖峰效应的关系. 常规超导体中的尖峰效应可参见Cambell和Evetts[30]给出的一个综述. 高温超导体被发现后, 人们发现同样可以观察到尖峰效应. 与常规超导体中尖峰效应只发生在接近上临界场附近不同, 高温超导体发生尖峰效应的场要低得多, 远低于上临界磁场. 而由于高温超导体的特点, 即弱钉扎、强热力学和量子涨落的存在, 所以使尖峰效应变得更加复杂. 大致上看, 高温超导体中的尖峰效应可以分成两类, 一类以Bi-2212为代表, 一类以YBCO为代表, 如图19(b) 和图19(c) 所示. 图 19 三种不同类型II类超导体磁滞回线的第二峰效应(a) 2H-NbSe2超导体中的磁滞回线, 在上临界磁场附近发现一个尖峰; (b) 高温超导体Bi-2212中的磁滞回线, 在较低磁场的时候(200?500 Oe), 发现一个较陡的磁化强度第二峰; (c) 高温超导体YBCO中出现的第二峰, 其可以出现在很高的磁场值, 但是仍然远低于上临界磁场 Figure19. Second peak (SP) effect of three different types of MHLs in three kinds of type-II superconductors: (a) MHL of 2H-NbSe2 shows a sharp SP near upper critical field; (b) MHL of high temperature superconductor Bi-2212 shows a steeper SP at a lower magnetic field (200?500 Oe); (c) SP effect occurs in high temperature superconductor YBCO. The SP effect can appear at high magnetic fields, but the fields are still far below the upper critical field
关于图19中的三种磁滞回线, 其磁化强度第二峰效应产生的原因并不相同. 在2H-NbSe2超导体中的第二峰效应被解释成为在上临界磁场附近, 磁通晶格开始软化, 而软化的磁通线会容易找到势能比较低的缺陷的位置, 从而被钉扎住. 这种情况对于低温金属或合金超导体是比较合适的. 因为这些超导体的磁通线自能$E = \dfrac{1}{{4{\text{π}}{\mu _0}}}{\left(\dfrac{{{\varPhi _0}}}{\lambda }\right)^2}\ln \kappa$很大, 因为超流密度较大, 穿透深度较短. 这些磁通线刚性就比较强, 很难与空间中无规分布的钉扎中心达到很好的配合效应, 起到强的钉扎. 然而, 当接近上临界磁场的时候, 磁通晶格会软化, 因此会更容易被钉扎中心钉扎住, 使得临界电流有所增强, 甚至出现一个尖峰. 对于高温超导体, 由于很强的层状效应和较低的超流密度, 对应较小的磁通自能, 此时磁通就变得容易弯曲, 很容易运动. 但是在Bi-2212中的磁通运动形式和YBCO中的运动形式和磁化强度第二峰效应会有所不同. 在图19(b)中给出的就是Bi-2212的磁化强度曲线, 可见明显的第二峰效应. 仔细研究发现该效应只发生在温度为20—40 K的温区内, 而且第二峰出现的磁场位置与温度基本无关[31]. 因此在磁场温度的相图上面基本表现为一段平的线. 在图20中给出了Bi-2212系统的温度磁场相图. 在高于40—50 K的温区, 在相变磁场之上, 磁化强度曲线是可逆的, 在磁化强度随温度或磁场变化时, 出现一个一级相变的台阶, 因此一般认为在40—50 K以上发生了磁通晶格一级融化相变. 图 20 Bi-2212系统的磁场-温度相图. 在20?40 K温度内, 如方块符号所示的是第二峰出现的位置, 一般认为是在该磁场之下, 磁通系统处于布拉格玻璃态(Bragg glass), 然而超过这个磁场, 磁通系统处于正常的磁通玻璃态 分为耗散低的I区和耗散高的II区. 在40 K以上温区的相变线是磁通一级融化线(FOT, first order transition). 在20 K以下, 通过长时间的弛豫测量, 实际上磁通的布拉格相变仍然能够被观测到 Figure20.H-T phase diagram of Bi-2212 system. The positions of SP are shown by square symbols, in the temperature range of 20?40 K. It is generally believed that below the magnetic fields marked by the squre symbols, the flux system is in Bragg glass state, beyond that the flux system is in normal vortex glass state. The phase transition line above 40 K is FOT (first order transition) line of magnetic flux. Below 20 K, the Bragg phase transition of magnetic flux can still be observed by long-time relaxation measurement.
这里Ad = 4–d (d代表维数). 此时磁通的相对平均位移的关联函数是幂函数衰减的, 即${C^{{\rm{L}}, {\rm{T}}}}(r) \!\propto\! {(1/r)^{{A_d}}}$, 这里的上标L, T分别表示纵向和横向的磁通平均位移关联函数. 可见这种关联函数的衰减是比较慢的, 因此磁通还能够保持准有序的晶格态, 被称为布拉格玻璃态. 与磁通玻璃不同, 其位移关联函数的衰减为代数衰减, 而磁通玻璃态的关联函数是指数衰减的. 因此, 布拉格玻璃中存在准长程有序, 能够被中子散射的实验加以证明. 当外磁场值超过布拉格玻璃态磁场的时候, 磁通密度增加, 系统很难维持在布拉格玻璃的准有序态, 取而代之的是磁通玻璃态, 磁通系统的混乱度增加, 中子散射就观察不到有序的衍射斑点. 因此把固定温度下, 磁通系统从低磁场的布拉格玻璃态向高磁场的磁通玻璃态相变线称为布拉格磁通相变线. 在进行磁滞回线测量的时候, 人们发现, Bi-2212系统的磁化强度第二峰效应在20 K以下的磁化曲线上面就消失了, 呈现出来的是一个零磁场附近的单峰行为. 因此一些人认为布拉格磁通玻璃在低温段有一个截止点, 即在20 K以下应该没有布拉格磁通态到磁通玻璃态的相变了. 我们把温度降到5 K, 通过长时间的磁化弛豫测量, 发现在长时间窗口内测量磁滞回线的时候, 磁化强度第二峰效应又能够显现出来, 表明布拉格玻璃在低温端没有截止点. 如图21所示,我们测量的磁化强度弛豫最长的时间达到10000 s, 在长时间弛豫之后, 系统接近平衡态. 也表明布拉格磁通态到玻璃态的相变确实对应于磁通系统在平衡态的一个相变, 在20 K以上的时候, 磁通运动较快, 容易接近平衡态; 然而在低温下磁通运动较慢, 要通过长时间的弛豫, 系统才能够接近平衡态, 显示出布拉格玻璃相变的行为[31]. 而长时间的弛豫使得布拉格玻璃相变在低达5 K的温度仍然能够被观察到. 图 21 Bi-2212单晶在T = 5 K温度, 在不同的时间窗口测量到的磁滞回线在降磁场部分随外磁场的变化. 在长时间弛豫以后, 第二峰效应仍然能够呈现出来, 表明布拉格玻璃相变在低于20 K的温区仍然能够发生 Figure21. MHLs of Bi-2212 single crystal at T = 5 K, measured at different time windows varying with external magnetic field. After a long time of relaxation, the SP effect can still appear, which indicates that the Bragg vortex phase transition can still occur in the temperature range below 20 K.