Способ определения параметра решетки магнитных вихрей в сверхпроводниках ii рода

 

Изобретение относится к криогенной СВЧ-микроэлектронике и преназначено для определения параметра решетки магнитных вихрей (РВМ) в сверхпроводниках (СП). На сверхпроводник воздействуют спиновой волной мощностью 1 - 100 мкВт и частотой, изменяющейся в диапазоне 2 - 8 ГГц, снимают амплитудно- и фазочастотную характеристики спиновой волны, по амплитудно-частотной характеристике определяют частоту поглощения F_o спиновой волны на решетке магнитных вихрей, по фазочастотной характеристике измеряют границы частотного диапазона, в котором происходит поглощение спиновой волны на частоте F_o и имеет место набег фазы 360°, а параметр решетки вычисляют из выражения T=C·(F₂-F₁)/F_o·(F₂+F₁), где T - параметр РМВ, F₁ и F₂ - границы частотного диапазона, в котором происходит поглощение СВ на частоте F_o; C - скорость света в вакууме. Способ реализуется измерительной установкой, содержащей СВЧ-анализатор, электромагнит с источником питания, тесламетр, самописец, а также датчик, 4 ил.

Изобретение относится к криогенной СВЧ-микроэлектронике и предназначено для определения параметра решетки магнитных вихрей (РМВ) в сверхпроводниках (СП).

Параметр РМВ служит одним из важных критериев качества СП 11 рода, в том числе оксидных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Актуальной задачей соединения современных криогенных СВЧ-микроэлектронных приборов является обеспечение высокой точности и производительности измерений параметра РМВ. Точность определения параметра РМВ непосредственно влияет на выход годных приборов, в то время как производительность измерений важна для массового производства изделий.

Известен способ определения параметра РМВ СП, основанный на декодировании СП образца ферромагнитными частицами (метод Биттера), позволяющем выявить структуру РМВ, и последующем измерении расстояния между узлами РМВ [1].

При декодировании РМВ с помощью ферромагнитных частиц размеров не более 10 нм в атмосфере инертного газа под давлением 10^-2 бар (метод Тройбле - Эссмана [2] ) данный способ позволяет достичь высокой точности определения параметра РМВ. Однако производительность измерений при этом низка из-за значительных затрат времени на декорирование СП образца ферромагнитным порошком, создание необходимых условий измерения (атмосфера инертного газа с определенным давлением) и т. д. Это ограничивает возможности применения способа в условиях производства.

Известен магнитооптический способ определения параметра РМВ СП, использующий фарадеевское вращение плоскости поляризации света СП образцом с РМВ [3] . В соответствии с этим способом к СП пластине, покрытой магнитооптическим материалом с эффективно отражающей свет пленкой, прикладывают внешнее постоянное магнитное поле для создания в СП образце РМВ. Сверху на образец направляют поляризованный луч света (электромагнитную волну), так что этот луч дважды (при падении и отражении) проходит через магнитооптический материал. При каждом прохождении через магнитооптический материал луч света испытывает фарадеевское вращение плоскости поляризации, причем угол поворота зависит от локального магнитного поля магнитных неоднородностей в СП образце. Пропуская выходящий луч света через анализатор, можно получить магнитооптическое изображение распространения магнитных неоднородностей на поверхности образца и таким образом по изменению характеристик электромагнитной волны в результате ее взаимодействия с РМВ определить параметр РМВ. Данный способ, наиболее близкий к заявляемому по совокупности признаков, принят в качестве прототипа. Хотя магнитооптический способ с точки зрения производительности измерений предпочтительнее способа определения параметра РМВ, основанного на декодировании СП образца ферромагнитными частицами, все же его производительность не вполне отвечает предъявляемым требованиям. Главный недостаток магнитооптического способа - сравнительно невысокая точность определения параметра РМВ. Причиной этого является невысокое пространственное разрешение магнитооптического метода (не лучше 0,5 мкм), определяемое длиной волны светового луча, и сравнительно низкая чувствительность света к магнитному полю (примерно 20 Э).

Целью изобретения является обеспечение более высокой по сравнению с прототипом точности определения параметра РМВ и одновременно более высокой производительности измерений.

Цель достигается тем, что в способе определения параметра РМВ СП II рода, включающем создание РМВ путем приложения постоянного магнитного поля, воздействия на СП электромагнитной волной и вычисление параметра РМВ по изменению характеристик электромагнитной волны в результате ее взаимодействия с магнитными вихрями, на СП воздействуют спиновой волной (СВ) мощностью 1-100 мкВт и частотой в диапазоне 2 - 8 ГГц, снимают амплитудно-частотную (АЧХ) и фазово-частотную (ФЧХ) характеристики СВ, по АЧХ определяют частоту поглощения F_o СП на РМВ, по ФЧХ измеряют границы частотного диапазона, в котором происходит поглощение СП на частоте F_o и имеет место набег фазы 360^о, а параметр РМВ вычисляют из выражения Т = С х (F₂ - F₁)/F_o х (F₂ + F₁) , где Т - параметр РМВ; F₁ и F₂ - границы частотного диапазона, в котором происходит поглощение СВ на частоте F_o; С - скорость света в вакууме. Для приложения к СП образцу СВ может быть использована, например, пленка железоиттриевого граната (ЖИГ) с входным и выходным преобразователями электромагнитной волны в СВ и обратно. СП образец (например, пленка из ВТСП материала) размещается между указанными преобразователями.

Технический результат изобретения заключается в повышении как минимум на порядок в сравнении с прототипом точности определения параметра РМВ, увеличении производительности измерений, упрощении процедуры снятия показаний и последующего ввода информации в систему исходных данных для вычисления критических токов, полей и геометрии СП пленок. Кроме того, изобретение позволяет проводить измерения в широком диапазоне температур (вплоть до гелиевых), не требует сложного оборудования (например, микроскопов, приспособленных для работы при криогенных температурах).

Достижение указанного технического результата оказалось возможным благодаря высокой чувствительности СВ к магнитным неоднородностям и впервые экспериментально обнаруженному автоpами явлению поглощения СВ на РМВ, позволившему реализовать высокую чувствительность СВ к магнитным неоднородностям при определении параметра РМВ из АЧХ и ФЧХ СВ с помощью приведенного выше выражения. АЧХ и ФЧХ СВ и необходимые для вычисления параметра РМВ данные могут быть автоматически определены с помощью соответствующей аппаратуры, что сделало возможным повышение производительности измерений, упрощение снятия показаний и ввода информации для последующих расчетов характеристик СП образца.

Нижний предел мощности, прикладываемой СВ, составляющий 1 мкВт, определяется минимальной рабочей мощностью существующих анализаторов СВЧ-схем, верхний предел (100 мкВт) ограничен порогом нелинейности СВ. Частотный диапазон 2-8 ГГц выбран, исходя из условий устойчивого возбуждения СВ.

Изобретение иллюстрируют фиг.1,2, на которых изображены АЧХ (1) и ФЧХ (2) СВ в структуре ВТСП - пленка ЖИГ при внешнем магнитном поле Н_о - 410 Э. На фиг.4 по оси абсцисс отсчитывается частота F, ГГц, по оси ординат - ослабление L, дБ; на фиг.2 по оси абсцисс - частота F, ГГц, по оси ординат - фаза, рад. ); на фиг.3 показано приспособление для приложения к СП СВ; на фиг.4 изображена блок-схема измерительной установки, реализующей предлагаемый способ.

Приспособление для приложения к СП СВ (фиг.3) представляет собой, например, пленку ЖИГ, на которую нанесены входной 1 и выходной 2 элементы, осуществляющие преобразование электромагнитной волны в СВ и обратно. Исследуемая пленка 3 ВТСП размещается между преобразователями 1 и 2 вплотную к ЖИГ пленке 4.

Установка, реализующая заявляемый способ, содержит (фиг.4) СВЧ-анализатор 5, служащий для снятия АЧХ и ФЧХ измерительной ячейки, помещенной в зазор электромагнита 7, запитываемого источником 10 питания. Для измерения постоянного поля в зазоре электромагнита используется тесламетр 9. Для регистрации АЧХ и ФЧХ используется самописец 6.

При включенном электромагните в его зазоре создается постоянное магнитное поле. С тестового выхода СВЧ-анализатора СВЧ-сигнал подается на входной преобразователь 1 приспособления 8 и возбуждается СВ. Распространяясь в слоистой структуре ВТСП - феррит СВ испытывает рассеяние на РМВ СП. Прошедшая волна принимается выходным преобразователем 2, и сигнал поступает на вход тестового канала СВЧ-анализатора, обрабатывается им и на экран выводятся АЧХ и ФЧХ. Они регистрируются самописцем.

П р и м е р. Проводилось измерение параметра РМВ в ВТСП-пленке состава YBa₂Cu₃O_7-x, размерами 11х5х0,001 мм, полученной лазерным распылением на подложке Al₂O₃. СП-пленка имела следующие характеристики: Т_кр = 93 К; ΔТ_кр = 1 К; I_кр = 10⁵ А/см². Измерения проводились при температуре жидкого азота 77 К. Прикладываемое внешнее магнитное поле было равно Н_о = 410 Э. Ферритовая ЖИГ-пленка имела толщину 11 мкм, расстояние между преобразователями 8 мм. После снятия АЧХ и ФЧХ СВ в структуре ВТСП-феррит из АЧХ была определена частота пика поглощения F_o = 3492 МГц, а из ФЧХ - границы частотного диапазона F₁ = 3470 МГц и F₂ = 3520 МГц, в котором происходит поглощение СВ на частоте F_o и имеет место набег фазы 360^о.

Параметр РМВ, вычисленный по приведенной выше формуле, составил 153,4 мкм. Точность определения параметра РМВ определяется аппаратурной погрешностью измерения частоты F_o, F₁, F₂ = 1,5%.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРА РЕШЕТКИ МАГНИТНЫХ ВИХРЕЙ В СВЕРХПРОВОДНИКАХ II РОДА, включающий создание в сверхпроводнике решетки магнитных вихрей путем приложения магнитного поля, воздействие на сверхпроводник электромагнитной волной и вычисление параметра решетки магнитных вихрей по изменению характеристик электромагнитной волны в результате ее взаимодействия с решеткой, отличающийся тем, что на сверхпроводник воздействуют спиновой волной мощностью 1 - 100 мкВт и частотой, изменяющейся в диапазоне 2 - 8 ГГц, снимают амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики спиновой волны, по амплитудно-частотной характеристике определяют частоту поглощения F₀ спиновой волны на решетке магнитных вихрей, по фазочастотной характеристике измеряют границы частотного диапазона, в котором происходит поглощение спиновой волны на частоте F₀ и имеет место набег фазы 360^o, а параметр решетки вычисляют из выражения: T = C · (F₂ - F₁)/F₀ · (F₂ + F₁), где T - параметр решетки; F₁ и F₂ - границы частотного диапазона, в котором происходит поглощение спиновой волны на частоте F₀; C - скорость света в вакууме.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4