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Movimiento cuántico de vórtices a bajas temperaturas en superconductores de alta temperatura crítica basados en talio

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Universitat de Barcelona. Departament de Física Fonamental

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[spa] El objeto de estudio de esta tesis es la dinámica intragranular de vórtices a bajas temperaturas en distintas muestras pertenecientes esencialmente a las familias de superconductores de alta temperatura crítica (SCAT) con dos planos de talio y con un plano de mercurio (con sustitución parcial por talio) por celda estructural: Tl(2)Ba(2)Cu(3)O(10-6) policristalino prensado [Tl-2223(p)] y en forma de capa fina [Tl-2223(f)], Tl(2)Ba(2)CaCu(2)O(8-6) policristalino en polvo (Tl-2212) y Hg(0.8)Tl(0.2)Ba(2)Ca(2)Cu(3)O(8-6) policristalino prensado [(Hg, Tl)-1223]. A título comparativo, se introducen resultados obtenidos en un par de muestras basadas respectivamente en bismuto, con un dopaje de plomo, y en itrio: Bi(17)Pb(0.3)Sr(2)CaCu(2)O(8+x) monocristalino [(Bi,Pb)-2212] e YBa(2)Cu(3)O(8-6) policristalino prensado (Y-123). Tras la descripción del proceso de preparación y caracterización de cada una de las muestras, la investigación se centra en la medida de la evolución temporal de la imanación (lo que se conoce con el nombre de relajación magnética) y en el estudio de las dependencias con la temperatura y el campo magnético del ritmo de relajación normalizado según diversos criterios. En una de las muestras policristalinas, Tl-2223(p), la aplicación de campos magnéticos menores que el campo critico inferior intragranular permite el estudio de la dinámica intergranular de vórtices. Las medidas de relajación realizadas con distintas intensidades de campo magnético para una temperatura fijada son ajustadas con similar precisión a las leyes logarítmica y potencial, lo que es una evidencia de que el proceso temporal evolutivo de la imanación de todas las muestras se encuentra en sus primeros estadios, esto es, en el rango de tiempos moderados. A partir de estas medidas se estudia .la dependencia con el campo magnético aplicado, H(a)' del ritmo de relajación cuántico normalizado según diversos criterios: R(H(a)). Para cada muestra, el criterio de normalización influye únicamente en el valor numérico del ritmo de relajación pero no en el comportamiento general de la dependencia R(H(a)), lo que sugiere la escasa importancia que desde el punto de vista teórico tiene la elección de un determinado criterio. El estudio de esta dependencia en cinco de las muestras [no se ha realizado en (Bi,Pb)-2212] pone de manifiesto la existencia en tres de ellas [Tl-2223(p), Tl-2223(f), (Hg,TI)-1223] de una transición en la dimensionalidad del proceso cuántico de relajación, pasando del movimiento de líneas de flujo 3D al movimiento de vórtices 2D a medida que aumenta la intensidad del campo magnético. La determinación experimental del campo para el que tiene lugar la transición en las tres muestras mencionadas, el campo de transición dimensional, permite la posterior estimación del valor del parámetro de anisotropía correspondiente a la temperatura de medida. La discordancia entre nuestros valores y los hallados en la bibliografía ponen de manifiesto la importancia del método de medida y de la forma y geometría de la muestra. Los valores obtenidos en Tl-2223(p) y (Hg,Tl)-1223 son muy parecidos entre sí e inferiores al valor correspondiente a TI-2223(f). En el caso de la fase Tl-2223, esto indica la influencia decisiva que la forma y geometría de la muestra tienen sobre el grado de anisotropía de la misma. La insuficiencia de datos experimentales imposibilita la detección del régimen 3D en Tl-2212 y del régimen 2D en Y-123 y. por consiguiente, la determinación de los parámetros de anisotropía correspondientes. La dependencia creciente con el campo magnético del ritmo de relajación normalizado en el régimen 3D continúa la predicción teórica del mismo tipo de dependencia para el parámetro de anisotropía en SCAT. Los valores experimentales del ritmo de relajación normalizado en el régimen cuántico 2D concuerdan bastante bien, cualitativa y cuantitativamente, con las estimaciones realizadas en el marco de los modelos teóricos de dinámica cuántica de vórtices en los límites altamente disipativo (teoría CCC) y no disipativo (efecto túnel Hall), a pesar del uso de valores muy aproximados para los parámetros involucrados en las mismas. Estos modelos permiten además interpretar la observación experimental de la dependencia decreciente con la distancia interlaminar del ritmo de relajación normalizado en el régimen 2D. El estudio de la dependencia técnica del ritmo de relajación normalizado, R(T) revela la presencia en casi todas las muestras investigadas, y para casi todos las intensidades de campo magnético aplicadas, de una transición en el mecanismo responsable del movimiento de vórtices a bajas temperaturas, pasando, a medida que desciende la temperatura. del salto de las barreras de energía por activación técnica al efecto túnel cuántico a través de las mismas. Las excepciones son (Hg,TI)-1223 con un campo magnético de 10 kOe, donde sólo se observa el régimen técnico sin asomo alguno de régimen cuántico, y (Bi,Pb)-2212 con un campo magnético de 100 Oe. donde el régimen cuántico empieza a sugerirse por debajo de la mínima temperatura de medida. En ambos casos es necesaria la extensión del estudio a este rango de temperaturas si se quiere detectar el movimiento cuántico de vórtices. En algunas de las muestras investigadas [Tl-2223(p), Tl-2223(t) con 500 De y (Bi,Pb)-2212] la transición del régimen técnico al cuántico tiene lugar de manera progresiva, lo que indica que el ritmo de relajación cuántico a temperaturas finitas está asistido térmicamente. Para el resto de muestras o intensidades de campo magnético [Tl-2212, Tl-2223(f) con 50 De y (Hg,Tl)-1223 con 3 kOe], la transición tiene lugar de manera brusca, indicando la ausencia de dicha asistencia. No hemos podido hallar una razón por la que una muestra presente un tipo u otro de transición según la intensidad de campo magnético. En los casos de transición gradual, las curvas experimentales han sido ajustadas a dos leyes que caracterizan sendos límites disipativos (altamente disipativo y no disipativo) del sistema. A pesar de ser matemáticamente muy buenos, los ajustes se ven desplazados hacia temperaturas mayores que las teóricamente predichas y razonablemente esperadas, debido a la insuficiencia de datos experimentales en el régimen cuántico. La similitud de los ajustes, de los valores de la temperatura de transición del régimen estrictamente térmico al régimen cuántico asistido térmicamente y de las estimaciones del ritmo de relajación normalizado obtenidos en cada una de las muestras, impiden extraer una conclusión sobre el grado de disipación y comprobar si las muestras investigadas se encuentran en el límite no disipativo predicho teóricamente. En todas las muestras el proceso dinámico es 3D, con la posible excepción de Tl-2212, donde muy probablemente sea 2D. Los valores experimentales del ritmo de relajación normalizado en el régimen cuántico concuerdan cualitativamente con las estimaciones realizadas en el marco de los modelos teóricos para la dinámica cuántica de vórtices en los dos límites disipativos. Sin embargo, en ninguna de las muestras, con la excepción de Tl-2212, la concordancia es también cuantitativa. Esto es interpretado como una consecuencia de la dependencia con el campo magnético del parámetro de anisotropía en el régimen 3D. Esta dependencia es distinta para cada una de las muestras, lo que imposibilita la comparación razonable de los correspondientes valores experimentales del ritmo de relajación cuántico. Por último, la dinámica de vórtices intergranulares es estudiada en TI-2223(p) con la aplicación de un campo magnético de 50 Oe. Las líneas generales del proceso evolutivo son muy parecidas a las correspondientes a la dinámica de vórtices intragranulares, pero ambas dinámicas difieren en los valores experimentales de los parámetros característicos: los valores del ritmo de relajación normalizado en los regímenes cuántico y térmico y de la temperatura de transición en el caso intergranular son menores y mayor respectivamente que en el caso intragranular, lo que es interpretado como una consecuencia del mayor tamaño de los vórtices y la mayor altura de las barreras de energía intergranulares.

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[eng] The goal of this work is the study of quantum vortex motion at low temperatures in different samples which essentially belong to the families of high-temperature superconductors (HTSC's) with two thallium oxide and one mercury oxide layer per crystalline cell: sintered polycrystalline and epitaxial thin-films of TI(2)Ba(2)Ca(2)Cu(3)O(10-6) [TI-2223(p) and Tl-2223(f), respectively], powdered TI(2)Ba(2)Ca(2)Cu(3)O(8-6) (TI-2212), and sintered polycrystalline Hg(0.8)Tl(0.2)Ba(2)Ca(2)Cu(3)O(8+6)[(Hg,TI)-1223]. In order to compare, we introduce a couple of samples respectively based on bismuth (with a small lead doping) and ytrium: monocrystalline Bi(1.7)Pb(0.3)Sr(2)CaCu(2)O(g+x) [(Bi,Pb)-2212] and sintered polycrystalline YBa(2)Cu(2)O(7-6) (Y-123). After the description 01' the process of preparation and characterization of each sample, the investigation is confined to the measurement of the time evolution of magnetization (what is known as magnetic relaxation) and the study of the temperature and magnetic field dependence of the normalized relaxation rate. Among the results, we would like to remark the following innovative points: - As magnetic field increases, a transition in the dimensionality of the quantum relaxation process, from the motion of 3D flux lines to 2D pancake vortices, has been detected in the magnetic field dependence of the normalized relaxation rate. The determination of the dimensional crossover field allows to estimate the anisotropy parameter of each sample. - Quantum vortex motion of 2D pancake vortices has been detected by means of the study of the thermal dependence of the normalized relaxation rate in the Tl-2212 sample. - Quantum vortex motion of íntergranular vortices has been observed in Tl-2223(P).

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Tesis Doctorals - Departament - Física Fonamental

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Movimiento cuántico de vórtices a bajas temperaturas en superconductores de alta temperatura crítica basados en talio