Cтатья
Возникновение трехуровневой сверхпроводимости при отжиге YBCO + ε-Fe2O3
Д. М. Гохфельд
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН, ул. Академгородок, д. 50/38, 660036, Красноярск, Россия
e-mail: gokhfeld@iph.krasn.ru
С. В. Семенов
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН, ул. Академгородок, д. 50/38, 660036, Красноярск, Россия
М. И. Петров
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН, ул. Академгородок, д. 50/38, 660036, Красноярск, Россия
УДК 538.945
Аннотация
В поликристаллических сверхпроводниках известна реализация двухуровневой сверхпроводимости, образованной подсистемами гранул и межгранульных границ. В высокотемпературном сверхпроводнике YBa2Cu3O7-δ (YBCO) с добавлением наночастиц ε-Fe2O3 (средний диаметр 9 нм), подвергнутом отжигу при 930 °C в течение 12 часов, обнаружено существование трех сверхпроводящих подсистем. Эти подсистемы имеют разную температуру сверхпроводящего перехода и демонстрируют разный отклик на магнитное поле.
Мы исследовали транспортные свойства серии образцов с x, массовой долей ε-Fe2O3, от 0 до 0.0741. Температурные зависимости удельного электрического сопротивления ρ(T) измеряли стандартным четырехзондовым методом в магнитных полях напряжением до 0.01 Тл. Только две сверхпроводящие подсистемы наблюдаются при низких уровнях легирования (x ≤ 0.001). При x = 0.00299 производная dρ/dT показывает три отчетливых пика, соответствующих трем температурам перехода: 92.8 К (ядра гранул), 90.3 К (межзеренные границы) и 86 К (новая подсистема). Эта третья подсистема образуется на поверхности гранул YBCO, где ионы железа диффундируют в кристаллическую решетку при длительном отжиге, локально снижая критическую температуру. В отличие от межкристаллитных границ, эта поверхностная подсистема проявляет слабую чувствительность к магнитным полям ниже 0.01 Тл. Более высокое легирование (x ≥ 0.00695) приводит к полупроводниковому типу зависимости удельного сопротивления в нормальном состоянии, и отсутствию перехода межгранульного пространства в сверхпроводящее состояние (выше 77 К). Полученные результаты демонстрируют возможность контролируемого создания многоуровневых сверхпроводящих структур с помощью легирования магнитными наночастицами и последующего отжига, а также важны для понимания механизмов пиннинга в различных новых сверхпроводящих системах.
Ключевые слова: высокотемпературные сверхпроводники; YBCO; ε-Fe2O3; наночастицы; трехуровневая модель; поверхностный пиннинг.
Литература
[1] J. Huang, H. Wang. Effective magnetic pinning schemes for enhanced superconducting property in high temperature superconductor YBa2Cu3O7−x: a review. Supercond. Sci. Technol. 30, 114004 (2017). DOI: 10.1088/1361-6668/aa8d32
[2] A. Palau, F. Valles, V. Rouco, M. Coll, Z. Li, C. Pop, B. Mundet, J. Gazquez, R. Guzman, J. Gutierrez, X. Obradors, T. Puig. Disentangling vortex pinning landscape in chemical solution deposited superconducting YBa2Cu3O7−x films and nanocomposites Supercond. Sci. Technol. 31, 034004 (2018). DOI: 10.1088/1361-6668/AAA65E
[3] А.Н. Максимова, И.А. Руднев, В.А. Кашурников, А.Н. Мороз. Влияние массива субмикронных магнитных точек на намагниченность, критический ток и структуру вихревых конфигураций в ВТСП. ФТТ 65, 531 (2023). DOI: 10.21883/FTT.2023.04.55287.500
[4] И.А. Руднев, А.И. Подливаев, Д.А. Абин, С.В. Покровский, А.С. Стариковский, Р.Г. Батулин, П.А. Федин, К.Е. Прянишников, Т.В. Кулевой. Увеличение критического тока сверхпроводящих композитов при имплантации ионов железа. ФТТ 65, 386 (2023). DOI: 10.21883/FTT.2023.03.54735.540
[5] С.В. Семенов, Д.М. Гохфельд, М.И. Петров, Т.Д. Балаев, М.С. Молокеев, И.В. Немцев, В.Л. Кириллов, О.Н. Мартьянов. Влияние ε-Fe2O3 на сверхпроводящие свойства YBCO. ФТТ 66, 2230 (2024). DOI: 10.61011/FTT.2024.12.59601.277
[6] Д.М. Гохфельд, С.В. Семёнов, М.И. Петров. Намагниченность и критическая плотность тока сверхпроводящих гранул, допированных наночастицами NiO. Письма в ЖТФ 52, 55 (2026). DOI: 10.21883/0000000000
[7] D.M. Gokhfeld, S. V. Semenov, M.I. Petrov, I. V. Nemtsev, M.S. Molokeev, V.L. Kirillov, O.N. Martyanov. Effect of decorating NiO nanoparticles on superconducting properties of YBCO. (2025). DOI: 10.48550/arXiv.2510.14322
[8] D.A. Balaev, K.A. Shaihutdinov, S.I. Popkov, D.M. Gokhfeld, M.I. Petrov. Magnetoresistive effect in bulk composites 1-2-3 YBCO + CuO and 1-2-3 YBCO + BaPb1−xSnxO3 and their application as magnetic field sensors at 77 K Supercond. Sci. Technol. 17, 175 (2004). DOI: 10.1088/0953-2048/17/1/031
[9] Y. Zhao, C.H. Cheng, J.S. Wang. Flux pinning by NiO-induced nano-pinning centres in melttextured YBCO superconductor. Supercond. Sci. Technol. 18, S43 (2005). DOI: 10.1088/0953-2048/18/2/010
[10] P. Pęczkowski, P. Zachariasz, M. Kowalik, W. Tokarz, S.P. Kumar Naik, J. Żukrowski, C. Jastrzębski, L.J. Dadiel, W. Tabiś, Ł. Gondek. Iron diffusivity into superconducting YBa2Cu3O7−at oxygen-assisted sintering: structural, magnetic, and transport properties. J. Eur. Ceram. Soc. 41, 7085 (2021). DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.06.018
[11] M. Aykol, J.H. Montoya, J. Hummelshøj. Rational Solid-State Synthesis Routes for Inorganic Materials. J. Am. Chem. Soc. 143, 9244 (2021). DOI: 10.1021/JACS.1C04888
[12] Д.М. Гохфельд, С.В. Семенов, И.В. Немцев, М.И. Петров. Cверхпроводящие гранулы Tm123 на несверхпроводящих затравочных кристаллитах Pr123. ФТТ 67, 1155 (2025). DOI: 10.61011/FTT.2025.07.61170.169-25
[13] T.T. Thuy, S. Hoste, G.G. Herman, K. De Buysser, P. Lommens, J. Feys, D. Vandeput, I. Van Driessche. Sol–gel chemistry of an aqueous precursor solution for YBCO thin films. J. Sol-Gel Sci. Technol. 52, 124 (2009). DOI: 10.1007/S10971-009-1987-1
[14] К.С. Пигальский, А.А. Вишнёв, Н.Н. Ефимов, П.Н. Васильев, А.В. Шабатин, Л.И. Трахтенберг. Магнитные и сверхпроводящие свойства допированных Fe высокотемпературных сверхпроводников YBaCuO, синтезированных золь–гель-методом. ЖЭТФ 166, 246 (2024). DOI: 10.31857/S0044451024080108
[15] L. Ji, M.S. Rzchowski, N. Anand, M. Tinkham. Magnetic-field-dependent surface resistance and two-level critical-state model for granular superconductors. Phys. Rev. B 47, 470 (1993). DOI:10.1103/PhysRevB.47.470
[16] В.В. Деревянко, Т.В. Сухарева, В.А. Финкель. Влияние температуры, внешнего магнитного поля и транспортного тока на электрофизические свойства, процессы эволюции вихревой структуры и фазовые переходы в подсистемах сверхпроводящих гранул и “слабых связей” гранулярного двухуровневого высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3O7−δ. ФТТ 60, 465 (2018). DOI:10.21883/FTT.2018.03.45546.225
[17] Д.А. Балаев, С.В. Семенов, М.И. Петров, Д.М. Гохфельд. Концепция эффективного поля в межгранульной среде гранулярного ВТСП: описание гистерезиса магнитосопротивления. Сверхпроводимость: фундаментальные и прикладные исследования 3, 16 (2025). DOI: 10.62539/2949-5644-2025-8-3-16-28
[18] S.V. Semenov, M.I. Petrov, T.D. Balaev, M.S. Molokeev, I.V. Nemtsev, V.L. Kirillov, O.N. Martyanov, D.M. Gokhfeld. Three-level Superconductivity in YBCO Doped with NiO Nanoparticles. J. Sib. Fed. Univ. Math. Phys. 19, 327 (2026).
[19] Д.А. Балаев, В.Л. Кириллов, А.А. Дубровский, С.В. Семенов, Ю.В. Князев, М.Н. Волочаев, О.Н. Мартьянов. Концентрирование иммобилизованных наночастиц ε-оксида железа как основа получения высоконаполненных магнитожестких материалов. Письма в ЖТФ 50, 16 (2024). DOI:10.61011/PJTF.2024.22.59129.19989
[20] K.S. Pigalskiy, A.A. Vishnev, N.N. Efimov, A. V. Shabatin, L.I. Trakhtenberg. The phase composition and structural, magnetic and superconducting properties of high-temperature superconductors Y1-xFexBa2Cu3Oy (0 ≤ x ≤ 0.08). Ceram. Int. 51, 11037 (2025). DOI:10.1016/J.CERAMINT.2024.12.523