СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ РЕШЕТКИ МАГНИТНЫХ ВИХРЕЙ В СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛАХ II РОДА Российский патент 1997 года по МПК G01R33/00 

Изобретение относится к криогенной СВЧ микроэлектронике и предназначено для определения скорости движения решетки магнитных вихрей (РМВ) в сверхпроводниках (СП) II рода.

Скорость движения РМВ служит одним из важных критериев качества СП II рода, в том числе оксидных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Актуальной задачей создания современных криогенных СВЧ микроэлектронных приборов является обеспечение высокой точности и производительности движения РМВ и удешевление измерительных средств.

Известен способ наблюдения структур магнитного потока в СП, использующий фарадеевское вращение плоскости поляризации света. Для реализации этого способа на СП пластине размещают магнитооптически активный материал. Сторона магнитооптической пластины, обращенная к СП, содержит пленку, отражающую свет. Для создания РМВ к СП прикладывают внешнее магнитное поле. При прохождении поляризованного света его луч дважды (при падении и отражении) проходит через магнитооптический слой. При каждом прохождении через магнитооптический слой свет испытывает фарадеевское вращение плоскости поляризации, причем угол поворота зависит от локального магнитного поля. При пропускании выходящего света через анализатор можно получить изображение распределения магнитного поля на поверхности образца. Данный способ обеспечивает возможность непрерывного наблюдения течения магнитного потока и определения скорости РМВ при использовании в этом случае техники регистрации движущихся изображений. Недостатками способа являются: невысокая точность определения скорости движения РМВ, связанная с малым пространственным разрешением (0,5 мкм) и малой чувствительностью по магнитному полю (>20 Э), а также сложность аппаратурного комплекса и трудность автоматизации измерений.

Известен способ определения скорости РМВ и СП при помощи дифракции нейтронов [2] который наиболее близок по совокупности признаков к предлагаемому. Он основан на использовании взаимодействия между магнитным полем нейтрона и РМВ. Падающие нейтроны со скоростью V_п, как правило, направляются перпендикулярно вихревым линиям, движущимся в свою очередь под действием транспортного тока со скоростью V_ф. В результате угол рассеяния Брэгга
2A_пк•sin0,5v_пк= πn,
где
V_пк угол рассеяния,
A_пк расстояние между плоскостями ПК решетки линий вихрей потока,
πn длина нейтрона
меняется на величину пропорциональную отношению V_ф/V_п.

Исходя из этого соотношения может быть вычислена скорость движения РМВ.

Основным недостатком способа при использовании нейтронов является большая погрешность в измерениях и сложность измерительного оборудования и, как следствие, трудность автоматизации измерений.

Относительно невысокая точность определения скорости движения РМВ по способу-прототипу обусловлена тем, что он основан на измерении смещения крыла дифракционного пика, т.е. зависимости интенсивности от угла рассеяния, которая строится несколькими усреднениями, что приводит к большой ошибке. Кроме того, для измерения скорости движения РМВ порядка 1 м/с на дифракции нужны медленные нейтроны со скоростью 100 м/с, что соответствует длине волны 4 нм.

Целью изобретения является обеспечение более высокой по сравнению с прототипом точности измерения скорости движения РМВ.

Эта задача решается тем, что в способе определения скорости движения РМВ, включающем создание РМВ путем приложения постоянного магнитного поля, воздействие на РМВ транспортным током, воздействие на СП электромагнитной волной и вычисления скорости движения РМВ по изменению характеристик электромагнитной волны при ее взаимодействии со стационарной и движущейся МВ, на СП воздействуют спиновой волной (СВ) мощностью от 1 до 100 мкВт и частотой в диапазоне 2 5 ГГц, измеряют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) и фазочастотную характеристику (ФЧХ) СВ, по АЧХ определяют частоту поглощения F₀ СВ на РМВ, по ФЧХ определяют скорость распространения СВ в линии передачи на частоте поглощения, пропускают через СП транспортный ток величиной меньше критического, измеряют АЧХ, по которой определяют частоту поглощения СВ на движущейся РМВ F*o

, а скорость движения РМВ вычисляют по формуле

где
V₀ скорость СВ на частоте F₀, определяемая из соотношения

(c скорость э.м. в свободном пространстве,
V_РМВ скорость движения РМВ).

Для возбуждения СВ и ее взаимодействию с СП служит, например, структуре высокотемпературный сверхпроводник феррит (ВТСП-феррит).

Технический результат изобретения состоит в повышении точности измерения скорости движения РМВ и удешевлении способа.

Достижение указанного технического результата оказалось возможным благодаря обнаруженному авторами явлению доплеровского сдвига частоты поглощения СВ при рассеянии СВ на движущейся РМВ. Это явление обусловлено пространственной модуляцией импеданса СП вследствие наличия РМВ, при которой при определенных значениях волновых чисел СВ, удовлетворяющих условию их рассеяния, наблюдается резонансное непрохождение СВ, которое и регистрируется при измерении.

Т. к. диапазон волновых чисел при данных измерениях в диапазоне частот 2
5 ГГц составляет область от десятых до сотых полей мкм, то предложенный способ позволяет измерять скорость движения РМВ вплоть до 25 см/с с точностью не менее 0,1%
Нижний предел мощности возбуждаемой (прикладываемой к СП) спиновой волны составляет 1 мкВт и определяется рабочей мощностью существующих анализаторов СВЧ; верхний предел 100 мкВт ограничен порогом нелинейности СВ. Частотный диапазон 2 8 ГГц выбран исходя из оптимального возбуждения СВ (надежного и устойчивого).

На фиг.1, изображены амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики структуры ВТСП-феррит при внешнем магнитном поле H₀ 390 Э и при транспортном токе I 0 и I₁ 2,0 А, показывается алгоритм определения исходных данных для окончательной формулы:
частоты F₀ и F*o

на стационарной и движущейся решетке магнитных вихрей, ΔF для определения скорости спиновых волн; на фиг. 2 устройство возбуждения СВ для взаимодействия с СП пленкой; на фиг. 3 представляет блок-схема измерительной установки, реализующей заявленный способ.

Приспособление для приложения к СП СВ (фиг. 2) представляет собой, например, пленку феррита (в частности, железо-иттриевого граната 4), на которую нанесены входной и выходной элементы 1, осуществляющие преобразование электромагнитной волны в СВ и обратно. Исследуемая пленка 3 ВТСП размещается между преобразователями 1 вплотную к ЖИГ пленке 4. На ВТС Нанесены серебряные контакты 2 для пропускания транспортного тока (источник тока не показан).

Установка, реализующая заявляемый способ (фиг. 3) содержит измерительную ячейку 8, помещенную в зазор электромагнита 7, запитываемого источником питания постоянного тока 10. Для пропускания транспортного тока используется источник 6, а регистрации амперметр 5. Для измерения магнитного поля в зазоре электромагнита используется тресламетр 9, для регистрации АЧХ и ФЧХ используется панорамный измеритель и самописец (на фиг. не показаны).

При включении электромагнита в его зазоре создается постоянное магнитное поле. С тестового выхода СВЧ-анализатора СВЧ-сигнал поступает на входной преобразователь приспособления и возбуждается СВ. Распространяясь в слоистой структуре ВТСП-феррит, СВ испытывает рассеяние на стационарной РМВ и на движущейся при подаче транспортного тока РМВ. Прошедшая волна принимается выходным преобразователем и сигнал поступает на вход тестового канала СВЧ-анализатора, обрабатывается и на экран выводятся АЧХ и ФЧХ. Они регистрируются самописцем (см. фиг. 1).

Пример. Проводилось измерение РМВ в СП пленке, состава YBa₂Cu₃O_7-x, размерами 11•5•0,001 мкм, полученной лазерным распылением на подложке Al₂O₃. СП пленка имела следующие характеристики: T_кр 93^oК, ΔT_кр= 1 K,, J_кр 10 А/см².

Измерения проводились при температуре жидкого азота T 77^oК. Прикладываемое внешнее постоянное магнитное поле было равно H₀ 390 Э. Ферритовая пленка ЖИГ толщиной 11 мкм, с расстоянием между преобразователями 8 мм, намагниченностью 4πM_s= 1750 Гс при комнатной температуре.

Полученные АЧХ и ФX CB в структуре без транспортного тока показано на фиг. 1. Из АЧХ была определена частота пика поглощения F₀, а из ФЧХ - время задержки СВ на частоте F₀. После приложения транспортного тока J 2 А/см² измерялся сдвиг частоты пика поглощения F*o

Скорость движения РМВ, вычисленная по указанной выше формуле, составила
v_PMB= (F*o-F_o)/F_o/v_o,
где
V₀ скорость спиновой волны на частоте F₀,
V_РМВ скорость движения решетки магнитных вихрей.

Представленные рисунки, пояснительный текст к ним, а также приведенный пример могут служить подтверждением возможности промышленной реализации изобретения.

Изобретение относится к криогенной СВЧ микроэлектроники и предназначено для определения скорости движения решетки магнитных вихрей (РМВ) в сверхпроводниках II-го рода; скорость решетки является одним из основных показателей свойств сверхпроводникового материала II-го рода. Целью изобретения является повышение точности определения скорости движения решетки магнитных вихрей. Суть изобретения состоит в том, что на сверхпроводник воздействуют спиновой волной мощностью 1 - 100 мкВт и частотой в диапазоне 2 - 8 ГГц, снимают амплитудно-частотную характеристику и фазочастотную характеристику спиновой волны, по амплитудно-частотной характеристике определяют частоту поглощения F₀ спиновой волны на РМВ, по фазочастотной характеристике определяют скорость распроспространения спиновой волны V₀ на частоте поглощения F₀, пропускают через сверхпроводник транспортный ток со значением от 0 до 1 критической, снимают амплитудно-частотную характеристику, по которой определяют частоту поглощения F*o

спиновой волны на движущейся РМВ, а скорость РМВ определяют по формуле:
v_PMB= (F*o-F_o)•v_o/F_o.
Технический результат изобретения состоит в повышении точности определения скорости движения РМВ и удешевления способа. 3 ил.

Способ определения скорости движения решетки магнитных вихрей в сверхпроводниковых материалах II рода, включающий размещение сверхпроводникового материала на поверхности ферритовой пленки, приложение к этой структуре постоянного магнитного поля, возбуждение ферритовой пленки электромагнитной волной и пропускание через сверхпроводниковый материал транспортного тока, не превышающего величины критического тока для этого сверхпроводникового материала, отличающийся тем, что мощность электромагнитной волны выбирают в диапазоне 1 100 мВт, а частоту в диапазоне 2 8 ГГц, измеряют амплитудно-частотные и фазочастотную характеристики структуры сверхпроводящий материал ферритовая пленка, по амплитудно-частотным характеристикам определяют частоты F_o и F_o ¹, соответствующие пикам поглощения электромагнитной волны в сверхпроводниковом материале до и во время пропускания через него транспортного тока, по фазочастотной характеристике структуры определяют скорость распространения электромагнитной волны V_o на частоте F_o, а скорость движения решетки магнитных вихрей V_рмв вычисляют по формуле
V_рмв (F_o ¹ F_o) / F_o • V_o.