Magneettivuon lukkiutumisen teoria ja simulointi korkean lämpötilan YBCO suprajohteeseen dooppattujen kolumnaaristen lukkiutumiskeskusten koon ja konsentraation vaikutusten selvittämiseksi

Abstract

Suprajohteet ovat olleet vuosikymmeniä intensiivisen tutkimuksen kohteena niitä hyödyntävien sovelluskohteiden laajasta määrästä johtuen. Erityisen mielenkiinnon kohteena ovat myöhemmin löydetyt korkean lämpötilan keraamiset suprajoheet, joiden poikkeuksellisen korkea transitiolämpötila helpottaa suprajohteita hyödyntävien sovellusten kaupallistamista. Useista tunnetuista korkean lämpötilan suprajohteista tässä tutkielmassa käsiteltävä YBa(2)Cu(3)O(6+x) (YBCO) on osoittautunut käytännön sovellusten kannalta lupaavimmaksi vaihtoehdoksi. Useat mahdolliset sovelluskohteet hyödyntävät korkeissa ulkoisissa magneettikentissä toimivia tyypin II suprajohteiden ohutkalvorakenteita, joiden läpi ulkoinen magneettikenttä pääsee tunkeutumaan pylväsmäisten vorteksien muodossa. Ohutkalvoon johdettava virta saa vorteksit liikkumaan johtaen tehohäviöihin. Vorteksien haitallista liikettä voidaan rajoittaa dooppaamalla suprajohtavaa materiaalia ei-suprajohtavilla lukkiutumiskeskuksilla ja täten parantaa suprajohtavan materiaalin läpäisevää suurinta mahdollista virtaa.

Tässä tutkielmassa perehdyttiin suprajohteiden fenomenologiseen Ginzburg-Landau-teoriaan, jonka ennustamia tuloksia käytettiin vorteksien lukkiutumisen dynamiikan mallintamiseen kolumnaarisissa lukkiutumiskeskuksissa. Aikaisemmin suoritetut kokeelliset kriittisen virrantiheyden kulmariippuvuusmittaukset 2%, 4% ja 6%-konsentraatioilla BaHfO(3) (BHO), BaZrO(3) (BZO) ja BaSnO(3) (BSO)-doopatuille YBCO-ohukalvoille mahdollistivat kokeellisten tulosten vertaamisen idealisoidun simulaation tuottamaan dataan. Halkaisijoiltaan 4 nm ja 10 nm olevien BHO- ja BZO-kolumnien johdosta voitiin tehdä päätelmiä erityisesti kolumnien konsentraation ja koon vaikutuksesta vorteksien lukkiutumisen dynamiikkaan. Simulaatioiden avulla tehtiin myös päätelmiä kolumnien orientaatiosta YBCO:n c-akseliin nähden sekä muista YBCO:n hilassa mahdollisesti esiintyvistä vortekseja lukitsevista kidevirheistä.