Лаборатория сильных магнитных полей

car3_smf.jpg

Сотрудники лаборатории

Важнейшие публикации

Лаборатория была организована академиком Л.В. Киренским в 1969 г. Следующим руководителем лаборатории был Г. С. Вейсиг, а с 1973 г. д.ф.- м.н. Б. П. Хрусталев, при котором лаборатория получила основное развитие. С 1996 г. по 2010 г. лабораторией руководил к.ф.-м.н. М.И. Петров. С 2010 г. лабораторию возглавил к.ф.м.н., доцент Шайхутдинов Кирилл Александрович.

В лаборатории работают 8 научных сотрудников (1 – доктор наук, 7 кандидатов наук), 6 инженеров, 4 аспиранта, 7 студентов.

Основные направления:

  1. Развитие методик создания сильных импульсных магнитных полей.
  2. Разработка методик исследования физических свойств твердых тел в сильных импульсных и стационарных магнитных полях.
  3. Исследование магнитных и магнитотранспортных свойств монокристаллических и кластерных магнетиков, высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), замещенных манганитов лантана, а также ориентационных переходов в капсулированных жидких кристаллах (КПЖК) под действием магнитного поля.

car2_smf.jpg

Лаборатория располагает следующим экспериментальным оборудованием:

  1. Вибрационный магнетометр со сверхпроводящим соленоидом, позволяющий проводить измерения намагниченности и восприимчивости в температурном интервале 2 – 400 К в магнитных полях до 70 кЭ.
  2. Установка по исследованию физических свойств твердых тел в сильных импульсных магнитных полях до 400 кЭ, продолжительность импульса – до 15 мс, температурный диапазон – 77.4 – 350 К.
  3. Установка по исследованию оптического пропускания капсулированных жидких кристаллов в импульсных магнитных полях до 200 кЭ.
  4. Установка по исследованию магнитотранспортных свойств твердых тел на базе электромагнита ФЛ-1, температурный диапазон – 77.4 – 350 К, магнитное поле до 15 кЭ.

Все перечисленные установки полностью автоматизированы.

Наиболее важные результаты исследований:

Исследованы температурные зависимости электросопротивления при различных величинах и ориентациях магнитного поля и транспортного тока композитов Y3/4Lu1/4Ba2Cu3O7 + CuO и Y3/4Lu1/4Ba2Cu3O7 + BaPbO3, представляющих сеть джозефсоновских переходов. Ранее было показано, что указанные композиты демонстрируют значительный магниторезистивный эффект при температуре кипения жидкого азота, что перспективно для практического применения ВТСП-композитов в качестве высочувствительных датчиков магнитного поля. В ходе исследований выявлено, что магнитосопротивление указанных материалов чувствительно к взаимной ориентации транспортного тока и магнитного поля.

Обнаружено, что зависящее от угла θ между направлением транспортного тока и магнитного поля магнитосопротивление ведёт себя пропорционально sin2θ. Это указывает на то, что композиты на основе ВТСП, представляющие сеть джозефсоновских переходов, способны регистрировать не только величину, но также и вектор магнитной индукции. С целью исследования гистерезисного поведения магнитосопротивления гранулярных ВТСП и его взаимосвязи с магнитным гистерезисом проведены измерения магнитосопротивления R(H) и критического тока IC(Н) композитов из ВТСП Y3/4Lu1/4Ba2Cu3O7 и CuO. В таких композитах реализуется сеть джозефсоновских переходов, причём несверхпроводящий ингредиент выступает в качестве барьеров между ВТСП гранулами.

Гистерезисные зависимости магнитосопротивления R(H) исследованы в широком диапазоне плотности транспортного тока j и проанализированы в рамках двухуровневой модели гранулярного сверхпроводника, в которой диссипация происходит в джозефсоновской среде, а магнитный поток может закрепляться как в гранулах, так и в джозефсоновской среде. Экспериментально продемонстрирована взаимосвязь между гистерезисом критического тока IC(Н) и эволюцией гистерезисной зависимости магнитосопротивления R(H) при варьировании транспортного тока. Исследовано влияние магнитной предыстории на гистерезисное поведение R(H) и появление участка с отрицательным магнитосопротивлением.

smf1.jpg smf2.jpg
Рис.1.a Зависимости R(H) образца YBCO + 30vol. %CuO
при различных значениях транспортного тока
I (2, 4, 7, 10 mA – снизу вверх) и различных величинах
максимально приложенного поля Hmax = 1, 2, 3…7 kOe
при T = 4.2 K. Стрелки указывают направление
изменения внешнего поля H. Зависимости R(H)
(поле возрастает) показаны закрытыми символами,
а зависимости R(H) (поле убывает) – открытыми символами.
Штриховые линии поясняют определение значения полевой ширины гистерезиса ΔHR=const = H - H
Рис.1b Ширина гистерезиса магнитосопротивления ΔHR=const = H↓ - H↑
при R = const (транспортный ток 2-10 mA ) в зависимости
от значений H↓ для данных R(H) образца YBCO + 30vol. %CuO на рис1.a.

Впервые показано, что зависимости R(H) характеризуются независящим от транспортного тока параметром - шириной петли гистерезиса R(H). Это проиллюстрировано на рис. 1a,b. На рис. 1a приведены гистерезисные зависимости R(H) образца YBCO + 30CuO при различных значениях транспортного тока I (2, 4, 7, 10 mA – снизу вверх) и различных величинах максимально приложенного поля Hmax = 1, 2, 3…7 kOe при T = 4.2 K. А на рис. 1b показана ширина гистерезиса магнитосопротивления ΔHR=const = H↓ - H↑при R = const (транспортный ток 2-10 mA ) в зависимости от значений H↓ для данных R(H) образца YBCO + 30CuO рис. 1a. Такое поведение указывает на то, гистерезис магнитосопротивления определяется только магнитным потоком, захваченным в сверхпроводящих гранулах, а влияние захвата магнитного потока в джозефсоновской среде несущественно для гистерезиса транспортных свойств исследованных объектов.

Проведены подробные исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) в широком интервале температур (77.4 – 300 К) и магнитных полей (0 - 25 Т) замещенных манганитов лантана как в виде моно- и поликристаллов, так и виде тонких пленок в широком диапазоне (до 1 А) аппаратурных токов. Основной целью работ было изучение влияния транспортного тока и приложенного электрического поля на электросопротивление данных материалов, т.е. возможности реализации широко известного механизма разрушения зарядового упорядочения в диэлектрических областях, возникающих в результате фазового расслоения манганитов. Было обнаружено, что ВАХ характеризуются участком с отрицательным дифференциальным сопротивлением, т.е. эффектом «токового переключения». Ниже температуры перехода металл-диэлектрик для всех образцов на ВАХ наблюдался гистерезис. Однако подробный анализ влияния внутреннего саморазогрева образца с привлечением экспериментальных данных по теплопроводности показал, что ВАХ подобного вида объясняются в рамках концепции неравновесного разогрева электронного газа (модель горячих электронов) и формирования токовых шнуров внутри образца. В качестве примера на рис. 2 представлены экспериментальные ВАХ монокристаллического (La0.5Eu0.5)0.7Pb0.3MnO3 при различных температурах (рис. 2а) и результаты моделирования ВАХ в модели неравновесного разогрева электронного газа (рис. 2б).

экспериментальные ВАХ при различных температурах результаты моделирования ВАХ в модели неравновесного разогрева электронного газа
Рис.2.a Рис.2b

Магнитооптическими методами исследовано упорядочение нематического жидкого кристалла (ЖК) на поверхности гелеобразного полимера, отвердеваемого в присутствии ориентирующего магнитного поля. При данном способе приготовления в нематике возникает доменная структура, обусловленная фазовыми превращениями, связанными со спинодальным распадом двухфазной системы полимер-растворитель. Домены имеют планарную ориентацию, поскольку обращаются при наблюдении в поляризованном свете за изменением интенсивности окраски красителя, введенного в нематическую матрицу, при повороте анализатора на 900 (рис. 3).

smf5.jpg

Рис. 3. Обращение доменной структуры примесного нематика 5ЦБ, наблюдаемое в поляризационный микроскоп, при повороте поляризаторе на 90°. Ячейка сформирована при фазовом разделении ЖК и полимера в отсутствие магнитного поля. Положение вектора е световой волны параллельно (слева) и перпендикулярно (справа) выделенному направлению магнитного поля.
Изменение интегрального дихроизма N* (o) примесного поглощения для серии полидоменных  ЖК-ячеек Экспериментальная (точки) и теоретически рассчитанные (линии) зависимости параметра порядка S* красителя КД-10 в матрице 5ЦБ от ориентирующего магнитного поля H.

Рис. 4. Изменение интегрального дихроизма N* (o)
примесного поглощения для серии полидоменных ЖК-ячеек,
приготовленных при различных значениях магнитного поля H.
Сплошная линия – интерполяция. Горизонтальной линией
обозначен предел изменения данной величины,
соответствующийдихроизму N калибровочной ЖК-ячейки.

Рис. 5. Экспериментальная (точки) и теоретически рассчитанные
(линии) зависимости параметра порядка S* красителя КД-10
в матрице 5ЦБ от ориентирующего магнитного поля H.
Штриховая гогизонтальная линия – ориентационный
параметр порядка примесного красителя, полученный
из измерений дихроизма монодоменного образца.

Директор ЖК в доменах ориентируется вдоль силовых линий поля, а степень упорядочения зависит от величины напряженности поля (рис. 4).

В полях Н ≥ 20 кЭ формируются монодоменные слои нематика ЖК, который после выключения поля остается однородно ориентированным вдоль заданного направления.

Зависимость степени упорядочения S* примесных молекул красителя в жидкокристаллической матрице от величины ориентирующего магнитного поля H, при различных значениях азимутальной энергии сцепления Wφ, показывает динамику упорядочения молекул ЖК (рис. 5.).

Экспериментальная зависимость параметра порядка S* близка к расчетной при значении Wφ = 1x10-3 эрг/см2. Данный результат свидетельствует, что ориентация ЖК в магнитном поле в доменных образованиях происходит при конечном и сравнительно небольшом значении энергии сцепления. Процесс увеличения степени ориентационной упорядоченности ЖК связан с последовательным непрерывным скольжением директора по полимерной поверхности, отверждаемой в магнитном поле. Упорядочение нематика в условиях фазового разделения существенно отличается от известного механизма жесткого закрепления ЖК на гладких поверхностях при охлаждении нематика в магнитном поле [J. Cheng, G.D. Boyd, Appl. Phys. Lett., 35, P. 444, (1979)].