Defects and the vortex liquid state in superconducting textured YBa2Cu307

Abstract

En els superconductors d'elevada temperatura crítica (entre els que s'inclou el compost YBa2Cu3O7 estudiat en aquesta tesis), el moviment de les línees de camp magnètic (vòrtex) que penetren en el material es veu altament incrementada per les altes temperatures d'operació d'aquests materials superconductors. Aquest moviment dels vòrtex genera dissipació en forma d'una resistència elèctrica.<br/>Addicionalment, aquests vòrtex estan sotmesos a diverses interaccions que en determinen el seu comportament dinàmic, on destaquen la importància de la energia repulsiva entre vòrtex, i la influència de defectes microstructurals on les propietats superconductores estan deteriorades. Aquests defectes microstructurals poden, en determinades condicions actuar com a llocs preferencials per als vòrtex, comportant-se així com a centres d'ancoratge que en milloren les propietats superconductores. L'estudi de la influència de la microstructura en el moviment de vòrtex, en mostres texturades de YBa2Cu3O7, on existeix una elevada diversitat de defectes, ha estat l'objectiu d'aquesta tesis.<br/>Aquest estudi ha requerit l'estudi de mostres amb característiques microstructurals clarament diferenciades i d'una sistemàtica de mesura que permeti distinguir els efectes de cada un dels defectes. Els principals resultats d'aquest estudi han estat:<br/>1.- El sistema YBa2Cu3O7 ha estat comparat amb altres sistemes similars, el NdBa2Cu3O7 i els efectes del dopatge YBa2(Cu1-xMgx)3O7. La influència del dopatge en la anisotropia ha estat emprat per a investigar l'evolució del diagrama de fases magnètic en funció del contingut de Mg.<br/>2.- Per a la posterior comparació amb mostres amb una gran diversitat de defectes, hem estudiat les propietats d'una mostra monocristal·lina. <br/>3.- S'ha determinat i quantificat la influència dels principals centres d'ancoratge presents en mostres texturades. En aquest sentit, hem determinat:<br/>3.1.- L'existència d'una ampliació de l'estat sòlid dels vòrtex quan els vòrtex s'orienten paral·lelament als centres d'ancoratge. Aquest fenòmen ha estat determinat tant en defectes planars (plans de macla), com en defectes lineals (les dislocacions). Així mateix, també ha estat observat una ampliació de l'estat sòlid per a les inclusions de partícules esfèriques de Y2BaCuO5 per a totes les direccions del camp magnètic, demostrant d'aquesta manera que actuen com a centres d'ancoratge lineal en una longitud de l'ordre del seu radi.<br/>3.2.- Ha estat demostrat que els defectes puntuals no són capaços de modificar la posició de la transició sòlid-liquid en el diagrama de fases magnètic.<br/>4.- També s'ha determinat la influència de determinats defectes microstructurals (microesquerdes, defectes d'apilament) que donen lloc a una reducció de la correlació dels vòrtex al llarg de la direcció del camp magnètic, donant lloc a una ampliació de l'estat líquid dels vòrtex, demostrant d'aquesta manera que determinats defectes microstructurals poden tenir efectes detrimentals per a l'ancoratge dels vòrtex.<br/>La influència dels diferents defectes en aquestes mostres amb una elevada complexitat microstructural ha estat comparada amb els resutats obtinguts de la literatura en mostres "netes" i els diversos models teòrics existents per a mostres amb una baixa diversitat de defectes.<br/>Finalment, tot aquest estudi de la influència d'aquests defectes en la dinàmica de vòrtex en mostres texturades de YBa2Cu3O7 ens ha permès determinar l'existència d'una nova transició en el sistema YBa2Cu3O7 on la tensió lineal del vòrtex es perd.

In High Temperature Superconductors (where the system considered in this thesis, YBa2Cu3O7 is included), the motion of the magnetic flux lines (vortex) present in the sample is strongly enhanced by the high temperatures of operation of these superconducting materials. The motion of these vortices generates dissipation in the form of an electrical resistance.<br/>Furthermore, different interactions act over vortices, thus modifying their dynamic behavior. In particular, it is worth to mention the repulsive vortex-vortex interaction and the influence of microstructural defects where the superconducting properties are suppressed. These microstructural defects may, under certain circumstances, act as preferential sites for vortices, and thus, become pinning centers improving the superconducting properties. The study of the influence of the defects in textured samples of YBa2Cu3O7, where a high density of defects exists, is the goal of this thesis.<br/>This study has required the study of samples with microstructural characteristics clearly differentiated and systematic measurements capable to distinguish the effects of each one of the main defects. The main results of this work are:<br/>1.- The system YBa2Cu3O7 has been compared with similar systems: NdBa2Cu3O7 and the influence of Mg doping YBa2(Cu1-xMgx)3O7. The influence of doping in the anisotropy has been considered to investigate the evolution of the phase diagram with the content of Mg.<br/>2.- We have studied the superconducting properties of a clean single crystals, in order to compare these results with those obtained in textured samples with a high diversity of defects.<br/>3.- We have determined and quantized the influence of the main pinning centers present in textured samples. We have seen:<br/>3.1.- A widening of the vortex solid state when vortices are parallel to the pinning centers. This phenomenon has been observed in planar defects (twin boundaries) and linear defects (in plane dislocations). It has also been observed a widening of the solid state due to the inclusions of Y2BaCuO5 spherical particles for all the directions of the magnetic field, thus demonstrating that they act as linear pinning centers for a length of the order of their radius.<br/>3.2.- That point-like pinning centers are not capable to modificate the position of the solid-liquid transition in the magnetic phase diagram.<br/>4.- We have also determined the influence of certain microstructural defects (microcracks and stacking faults) leading to a reduction in the vortex correlation along the direction of the magnetic field, promoting a widening of the vortex liquid state, thus demonstrating that microstructural defects also may have detrimental effects on vortex pinning. <br/>The influence of the different microstructural defects in samples with a high degree of microstructural complexity has been compared with the results obtained in the literature in clean samples and the theoretical models existing in samples with a low density of defects.<br/>Finally, this study of the influence of defects on vortex dynamics in textured YBa2Cu3O7 has enabled to determine the existence of a new transition in the system YBa2Cu3O7 where the vortex line tension is lost.