"Dynamische elektrische Leitfähigkeit im Vortexzustand von Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+d-Materialien"

Mit Hilfe von Messungen der linearen dynamischen Suszeptibilität chi(omega,T,B) ist der Einfluß der Mikrostruktur auf die Vortexdynamik des anisotropen Hochtemperatursupraleiters Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+d in Magnetfeldern bis 12 T untersucht worden. Dazu wurde ein Suszeptometer mit einer breitbandigen Meßanordnung aufgebaut und ein kommerzielles SQUID verwendet, so daß der Frequenzbereich 1 mHz <= omega/2 pi <= 50 MHz umfaßt. Ein Invertierungsverfahren ermöglichte die Ermittlung der komplexen magnetischen Eindringtiefe lambda(omega) und der elektrischen Leitfähigkeit bis zu |sigma(omega)|<= 10¹⁷S/cm.

Für B || c wurde der Einfluß von Punktdefekten und einer hohen Dichte von Zwillingsgrenzen als korrelierte Haftzentren in einem Kristall und einem Film auf die Leitfähigkeit sigma_ab der CuO₂-Ebenen studiert. Ergänzend wurde die dynamische Leitfähigkeit in Anwesenheit von Josephson-Vortizes im Kristall für B perp c und von Punktdefekten, Korngrenzen und Orientierungsunordnung in einer Keramik analysiert.

Die statische Leitfähigkeit für B || c entlang den CuO₂-Ebenen, sigma_ab(0), in der Vortexflüssigkeit befolgt rein metallisches Verhalten, bei dem der Anisotropiefaktor gamma der wesentliche Materialparameter ist. Er legt das Josephson-Kopplungfeld B_2D der unterschiedlichen Materialien fest und bestimmt die Größe der plastischen Barrieren für Felder B<B_2D, für die eine wurzelförmige Feldabhängigkeit U(B,gamma) \sim B^-1/2(gamma) gefunden wird. Oberhalb B_2D wird eine logarithmische Feldabhängigkeit der Barrieren U(B) \sim ln(B) beobachtet, deren Größe und lineare Temperaturabhängigkeit U(T) \sim (1-T/T_c) gut mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmt, die von einer thermischen Aktivierung von Vortex-Antivortexpaaren ausgehen.

Für dynamische Diffusionslängen l_omega=[i omega mu₀ sigma(0)]^-1/2 kleiner als der Probenradius wird eine zusätzliche algebraische Dynamik sigma(omega) \sim (i omega)^beta(T,B) beobachtet. Ein Modell für die Bewegung von wechselwirkungsfreien Teilchen in ungeordneten Systemen beschreibt diese Dynamik erfolgreich und wird hier erstmals für Supraleiter vorgeschlagen. Mit Annahmen, die der Theorie für den Transport auf fraktalen Strukturen entnommen werden, gelingt es, den Feld- und Temperaturverlauf des Exponenten beta(T,B) zu erklären.

Bei sehr hohen Frequenzen wird eine zusätzliche statische Abschirmung beobachtet, die vermutlich durch elastisches Verhalten des Vortexsystems, d.h. den Wechselwirkungen zwischen den Vortizes hervorgerufen wird. Zu tiefen Temperaturen, d.h. bei Annäherung an die Schmelzlinie T_m(B), wird die Dynamik auch bei niedrigen Frequenzen modifiziert. Dort machen sich kollektive Effekte durch schwaches kollektives Haften bemerkbar.

Intrinsisches Haften von Josephson-Vortizes (B perp c) durch die CuO₂-Ebenen führt in einem sauerstoffverarmten Kristall mit sehr hoher Anisotropie (gamma approx 1000) zu einem kontinuierlichen Phasenübergang bei T_g(B) in ein Josephson-Vortexglas. Die aus der dynamischen Skalierung von sigma_c(omega) gefundenen kritischen Exponenten entsprechen denen für sogenannte isotrope Vortexgläser. Die Phasenlinie T_g(B) steigt bei T simeq 24.5 K oberhalb des Feldes B_J, bei dem die Kerne der Josephson-Vortizes zu überlappen beginnen, steil an. Mit abnehmendem Feld wandert die Glaslinie zu höheren Temperaturen und hat einen Kosterlitz-Thouless-artigen Verlauf, deren mögliche Ursache Fluktuationen zwischen den Ebenen oder durch kink-antikink-Anregung über die Ebenen sein können.

Summary

Kurzfassung

Measuring the linear dynamic susceptibility, chi(omega,T,B), the dependence of vortex dynamics on the microstructure of Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+d high-temperature superconductors has been investigated in fields up to 12 T. A susceptometer with a broad frequency range was set up and a commercial SQUID was used to get a frequency range 1 mHz <= omega/2 pi <= 50 MHz. With an inversion scheme the complex magnetic penetration depth lambda(omega) and the electric conductivity are determined up to |sigma(omega)|<= 10¹⁷S/cm. For B || c the dependence of the conductivity sigma_ab in the CuO₂-planes on point defects and a high density of twin boundaries in a crystal and a film is studied. Furthermore the dynamic conductivity is analysed in presence of Josephson-vortices in the crystal (B \perp c) and for point defects, grain boundaries and spatial disorder in a ceramic.

The static conductivity for B || c in the CuO₂-planes, sigma_ab(0) in the vortex-fluid follows metallic behavior with the sample-specific anisotropy gamma being the essential parameter of the material. The anisotropy parameter determines the Josephson-field B_2D and the plastic barrier in fields B<B_2D, for which a power law U(B,gamma) \sim B^-1/2(gamma) has been found. Above B_2D a logarithmic field dependence U(B) \sim ln(B) was observed. The height and linear temperature dependence U(T) \sim (1-T/T_c) of the activation barrier agrees with theoretical predictions for thermally activated vortex-antivortex pairs.

For diffusion-lengths l_omega=[i omega mu₀ sigma(0)]^-1/2 less than sample radius an algebraic dynamic sigma(omega) \sim (i omega)^beta(T,B) was found. A model for motion of non-interacting particles in disordered systems describes this algebraic dynamic very well and is proposed for superconductors the first time. Taking predictions from hopping-theories on fractals, it is also possible to explain the field- and temperature dependence of the exponent beta(T,B).

At very high frequencies a static screening length becomes important, supposing elastic behaviour of the vortex-system, e.g. interaction of vortices. At low temperatures by approaching the melting line T_m(B) from above the dynamic even changes at low frequencies, indicating collective effects by weak collective pinning.

Intrinsic pinning of Josephson-vortices by the CuO₂-planes leads to a continuous phase transition into a Josephson vortex-glass at T_g(B) in a crystal with low oxygen content and very high anisotropy (gamma \approx 1000). Dynamical scaling of sigma_c reveals critical exponents which are close to those associated with the so called isotropic vortex-glass. The phase boundary T_g(B) increases rapidly at T=24.5 K for fields B>B_J, where the kernels of Josephson-vortices start to overlap. With decreasing field the transition line shifts Kosterlitz-Thouless-like to higher temperatures which may be caused by fluctuations along the CuO₂-planes or by kink-antikink excitations across the planes.