Dinámica oscilatoria de la red de vórtices en superconductores de alta temperatura crítica

• Autores: Valenzuela, Sergio O.
• Año de publicación: 2001
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Bekeris, Victoria Isabel
• Materia: SUPERCONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA CRITICA; YBA2 CU3 O7; VORTICES; CORRIENTE CRITICA; TRANSICIONES DE FASE DINAMICAS; DINAMICAOSCILATORIA; ORDEN; MOVILIDAD; SUSCEPTIBILIDAD AC.; HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTORS; VORTICES; YBA2 CU3 O7; CRITICAL CURRENT; DYNAMIC PHASE TRANSITIONS; OSCILLATORY DYNAMICS; ORDER; MOBILITY; AC SUSCEPTIBILITY
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Los vórtices en los superconductores de alta temperatura crítica constituyen unsistema modelo para el estudio de transiciones de fase dinámicas y termodinámicas. La combinación de las interacciones vórtice-vórtice y el anclaje por defectos en lamatriz superconductora determina la respuesta electromagnética de los superconductorestipo-II y, a su vez, provee un sistema ideal para estudiar el efecto del desordenen un medio elástico. Mientras que las interacciones entre vórtices tienden a ordenarla estructura de vórtices y los defectos a desordenarla, su efecto combinado da lugara una variedad de comportamientos colectivos y dinámicos notablemente rico. En esta Tesis, estudiamos la respuesta dinámica en estos sistemas de vórticesprincipalmente en respuesta a la aplicación de fuerzas oscilatorias por debajo de latransición de solidificación. La motivación de este trabajo surge por la observación denuevos fenómenos que incluyen una dependencia en la historia de la muestra y efectosde memoria en la respuesta de los superconductores tipo-II y por la necesidad de lograrun control completo del comportamiento de los vórtices ante fuerzas externas, lo quees requerido para posibles aplicaciones. El objetivo de esta Tesis es presentar unadescripción de la respuesta de los vórtices tanto desde un punto de vista experimentalcomo numérico. Midiendo susceptibilidad ac en cristales de YBa2Cu3O7 con maclas, mostramosque el sistema de vórtices puede ser atrapado en estados metaestables con diferentegrado de orden que aparecen en respuesta a diferentes historias termomagnéticas delsistema. Demostramos que la presión ejercida por el campo ac oscilante ordena elsistema de vórtices en la zona de penetración, incrementando localmente su movilidad. La estabilidad de los estados ordenados y desordenados junto con el perfil espacial dela movilidad de los vórtices generan la aparición de efectos de memoria. Mostramos también que cuando los vórtices son “agitados” por un campo temporalmentesimétrico (ej., sinusoidal) se organizan en una estructura ordenada y fácilde mover pero que, por el contrario, cuando el campo ac es temporalmente asimétrico (ej., diente de sierra), la estructura final es más desordenada y anclada. Esto es característicode un movimiento plástico de la red de vórtices y sugiere que el ordenamientodebido a campos simétricos es esencialmente distinto a un proceso de equilibración oa una cristalización dinámica por la aplicación de corrientes altas. Proponemos un modelo fenomenológico para la respuesta ac basada en observacionesexperimentales y obtenemos los perfiles de campo y corriente en forma analíticay numérica para distintas geometrías. La hipótesis principal del modelo es un anclajeefectivo inhomogéneo en la muestra lo cual se infiere de la movilidad variable de losvórtices. Completamos nuestra descripción realizando simulaciones de dinámica molecularsobreamortiguada con el objetivo de hallar una conexión entre la respuestamacroscópica y el comportamiento microscópico o, entre la movilidad y el gradode orden de la red de vórtices. Modelamos el sistema de vórtices como un conjuntode partículas interactuantes en un medio desordenado con una gran densidad de centrosde anclaje distribuidos al azar y estudiamos la concentración de defectos y lamovilidad de la red de vórtices en repuesta a distintas fuerzas externas. Complementamos estos resultados con estudios de transporte y susceptibilidadac en muestras que presentan un efecto pico en la densidad de corriente crítica. Mostramos que el desorden generado en la zona del pico puede ser inhibido en formaparcial forzando un movimiento oscilatorio de los vórtices aún cuando la red es blanday su movimiento plástico. La red de vórtices puede ser ordenada en forma adicionalpor debajo de un temperatura definida en donde las interacciones entre vórtices parecenvencer a las tensiones generadas por el anclaje y ocurre un cambio a un régimenelástico. La Tesis concluye con dos proyectos relacionados menores que son incluidos como Apéndices. En primer lugar, extendemos el algoritmo con el que obtuvimos los perfilesde campo y corriente en muestras con anclaje inhomogéneo para poder incluircorrientes de transporte. En segundo lugar, describimos una técnica ac que desarrollamospara medir la magnetización remanente en la muestra y presentamos resultadosque muestran efectos de historia.
Vortices in high temperature superconductors comprise a model system for thestudy of thermodynamic and dynamic phase transitions. The interplay of vortex-vortexinteractions and pinning by defects in the superconducting matrix both determinesthe electromagnetic response of type-II superconductors and provides anideal system to study the effect of quenched disorder on elastic media. While vortex-vortexinteractions tend to order the vortex structure and defects tend to disorder it,their combined effect leads to a remarkably rich variety of collective and dynamicalbehaviour. We study the dynamic response in such vortex systems focusing mainly on oscillatorydriving forces below the first order melting transition. We are motivatedby the observation of new puzzling phenomena that include history dependence andmemory effects in the response of type-II superconductors in the vicinity of order-disordertransitions and by possible applications which require the complete controlof the vortex behaviour under external applied currents. The goal of this Thesis is toprovide both an experimental and theoretical description of the vortex response. By measuring ac susceptibility in twinned YBa2Cu3O7 single crystals, we showthat the vortex system can be trapped in different metastable states with variabledegree of order arising in response to different system histories. We demonstrate thatthe pressure exerted by the oscillating ac field assists the vortex system in ordering,locally increasing the mobility of the vortices in the penetrated outer zone of thesample. The robustness of the ordered and disordered states together with the spatialprofile of the vortex mobility lead to the appearance of strong memory effects. We also show that when vortices are “shaken” by a temporarily symmetric ac fieldthey are driven into an easy-to-move, ordered structure but, on the contrary, whenthe ac field is temporarily asymmetric, they are driven into a more pinned disorderedstate. This is characteristic of tearing of the vortex lattice and it suggests that orderingdue to symmetric ac fields is essentially different from an equilibration process ora dynamical crystallization that is expected to occur at high driving currents. Theexperiments also provide evidence that vortex movement in an oscillating magneticfield is partially reversible as order can be recovered by a temporal inversion of theasymmetric ac field. We then propose a phenomenological model for the ac response based on experimentalobservations and obtain the magnetic field and current profiles in the sampleboth analytically and numerically. The main hypothesis of the model is an inhomogeneouseffective pinning in the sample that is inferred from the variable mobility ofthe vortices. The connection between the macroscopic response of the superconductor and themicroscopic behaviour of vortices or, between the mobility and the degree of orderof the vortex lattice, is fulfilled by overdamped molecular dynamics simulations. Wemodel the vortex system as a set of interacting particles in a disordered environmentwith a high density of randomly situated pinning centres and study the concentrationof defects and mobility of the vortex lattice as a function of different driving forces. We complement these results with transport and ac susceptibility studies in samplesthat present a peak effect in the critical current density. We show that disordergenerated at the peak effect can be partially inhibited by forcing an oscillatory movementof vortices even while the lattice is soft and its movement is plastic. The flowingphase can be additionally ordered below a well defined temperature where elastic interactionsbetween vortices overcome pinning-generated stress and a plastic to elasticcrossover seems to occur. Two related and smaller projects, that are included as Appendices, conclude the Thesis. Firstly, we extend the numeric algorithm that provides the current and fieldprofiles in samples with inhomogeneous pinning to include transport currents. Secondly,we describe an ac technique that we developed to measure the remanent magnetizationin the sample and we present some results on history effects.
Fil: Valenzuela, Sergio O.. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.