Dinámica de vórtices superconductores en la región de transición orden-desorden

Abstract

En los superconductores de tipo II el campo magnético penetra en líneas de flujo cuantizadas, conocidas como vórtices. La materia de vórtices constituye un sistema modelo para el estudio de medios elásticos forzados en presencia de desorden. En este sistema, las interacciones de los vórtices entre sí y de estos con los defectos del material, sumadas al grado de influencia de las fluctuaciones térmicas, determinan una gran variedad de fases (ordenadas, vidriosas y líquidas) y comportamientos dinámicos. La dinámica de la materia de vórtices presenta similitudes con otros sistemas complejos, como las ondas de densidad de carga, las paredes de dominio y los coloides: existe una fuerza crítica a partir de la cual las partículas se desanclan y la competencia entre interacciones determina una región de movimiento plástico para fuerzas cercanas a la crítica. Este desanclaje plástico, la dinámica subyacente y su relación con los defectos topológicos han sido tema de estudio por muchos años. En superconductores limpios, con baja densidad de defectos, como lo son los monocristales de NbSe2, existen dos fases de la red de vórtices ampliamente reconocidas: en la mayor parte del diagrama de fases campo magnético-temperatura, dentro de la fase superconductora del material, las configuraciones estables de la red de vórtices presentan un ordenamiento espacial con características compartidas con cristales y vidrios; en las proximidades de la transición superconductora, la red de vórtices (RV) adopta configuraciones desordenadas. Las características de la transición orden-desorden (O-D), así como la posible existencia de una fase intermedia, planteaban numerosos interrogantes hasta hace algunos años y fueron el objeto de la investigación de este trabajo de tesis. Gran parte del presente trabajo estuvo dedicado al estudio de los efectos de historia dinámica,enfocados en la dinámica alterna. En general, la aplicación de un campo alterno induce corrientes que ejercen fuerzas oscilatorias capaces de mover los vórtices. Si el campo es suficientemente pequeño, los vórtices permanecen oscilando alrededor de los centros de anclaje efectivos, dando una respuesta lineal conocida como régimen de Campbell. En ese caso, la medición de la respuesta lineal mediante la susceptibilidad alterna no modifica la configuración del sistema, por lo que constituye una técnica no invasiva para cuantificar la movilidad de la RV. En cambio, campos alternos de mayor amplitud son usados comúnmente en los experimentos para agitar la RV de forma de alcanzar la configuración de equilibrio. Sin embargo, en trabajos previos de nuestro grupo, se había reportado que en la región de la transición O-D un campo alterno de agitación puede dejar al sistema en estados de mayor o menor anclaje, independientes de la configuración inicial. Por otro lado, también se observaron efectos de historia térmica. El origen de estas diversas respuestas fue, durante años, un tema controvertido y la física subyacente a la dinámica descripta, una incógnita. En este trabajo se estudiaron los efectos de historia térmica y dinámica asociados a la transición O-D en monocristales de NbSe2. Se combinaron mediciones de susceptibilidad alterna con experimentos de difracción de neutrones de bajo ángulo (SANS) para investigar la relación entre las respuestas intermedias y el orden de la RV. Se encontró evidencia directa de que las respuestas intermedias observadas tras agitar la RV en la región de la transición O-D están asociadas a configuraciones con una densidad intermedia de dislocaciones. Por otro lado, se realizó un estudio sistemático de la dependencia de la respuesta final con los parámetros del campo alterno aplicado para agitar la RV. Los resultados sugieren que, en esta región, el sistema se reorganiza dinámicamente y la respuesta final sería una consecuencia directa de dicho proceso. Además, se obtuvieron indicios de criticalidad asociados a esta reorganización. Por último, se estudiaron los efectos de historia térmica, vinculados a la modificación espontánea de las configuraciones de la RV a partir de la evolución con la temperatura de las interacciones involucradas. A diferencia de lo observado tras agitar al sistema, no se detectaron cambios significativos en la densidad de dislocaciones asociados al ciclado térmico del sistema. Este resultado indica que el anclaje efectivo de la RV depende de otros factores, y no solo de la densidad de dislocaciones. Se proponen una descripción genérica, en términos de barreras de energía que operan a diferentes escalas espaciales y de energía, y una posible interpretación de la fenomenología observada en el marco de la teoría de anclaje fuerte.

Magnetic fields penetrate type-II superconductors in the form of quantized flux lines, called vortices. Vortex matter stands as a model system for the study of forced elastic media in disordered environments. In this system, interactions among vortices and between vortices and defects of the material, plus different degrees of thermal fluctuations, produce a variety of phases (ordered, glassy, and liquid) and dynamic behaviors. Vortex dynamics exhibit shared features with other complex systems, such as charge density waves, domain walls, and colloids: forces beyond a critical value unpin particles and competing interactions determine a region of plastic movement near this critical force. Such plastic depinning, the underlying dynamics, and its connection to topological defects have been studied for many years. In clean superconductors, having low defect density, such as NbSe2 single crystals, there exist two well-known vortex phases: within the material’s superconducting phase, most of the magnetic field-temperature phase diagram corresponds to an ordered phase where stable configurations of the vortex lattice (VL) show features shared with both crystals and glasses; in the neighborhood of the superconducting transition, the VL displays disordered configurations. The characteristics of the order-disorder (O-D) transition, as well as the possible existence of an intermediate phase, raised several questions until a few years ago and were the target of the research conducted during this thesis work. Most of the present work was devoted to studying dynamic history effects, focusing on alternating dynamics. In general, the application of alternating magnetic fields induces currents that exert oscillatory forces, which can move vortices. When the field is small enough, vortices oscillate around effective pinning centers and the system’s response is linear, a condition known as the Campbell regime. In this situation, measuring the linear response by means of ac susceptibility does not modify the system’s configuration; thus, it is a non-invasive technique, suitable for quantifying VL mobility. On the other hand, larger ac fields are commonly used in experiments to shake the VL so that it reaches an equilibrium configuration. However, in our group’s previous works, it was reported that, in the region of the O-D transition, ac shaking fields can lead the system to configurations with higher or lower pinning, independently of the initial configuration. Besides, thermal history effects were also observed. The origin of such diverse responses was a controverted topic for years, and the underlying physics, a query.In this work, thermal and dynamic history effects associated with the O-D transition were studied in NbSe2 single crystals. The relationship between intermediate responses and VL order was investigated by combining ac susceptibility measurements and small angle neutron scattering (SANS) experiments. Direct evidence was found that intermediate responses observed after shaking the VL in the region of the O-D transition are associated with configurations having an intermediate dislocation density. In addition, a systematic study of how the final response depends on the applied shaking field parameters was conducted. Results suggest that, in this region, the system dynamically reorganizes itself and the final response is an immediate consequence of such process. Moreover, signs of criticality were observed, linked to this reorganization. Lastly, thermal history effects -related to the spontaneous modification of the VL configuration arising from the evolution of interactions with temperature- were also studied. In contrast with the effects of shaking the VL, no significant changes in the dislocation density were found to be associated with the thermal cycling of the system. This result indicates that effective VL pinning depends on more factors than the sole dislocation density. A generic description in terms of energy barriers acting on different energy and spatial scales is given and a feasible interpretation of the observed phenomenology in the context of the strong pining theory is proposed.