Динамические модули упругости ниобия при низких температурах: температурные зависимости в нормальном состоянии, влияние сверхпроводящего перехода, дислокационные эффекты

Abstract

Исследованы низкотемпературные упругие свойства кристаллов ниобия различной чистоты и ориентации в нормальном (N) и сверхпроводящем (S) состояниях. Эксперименты выполнены методом составного вибратора на частотах ≈ 90 кГц. В температурном интервале 2–12 К получены температурные зависимости модуля Юнга E(Т) и модуля сдвига G(Т) в N- и S-состояниях. Установлено, что как температурные зависимости величин отдельных компонент модулей упругости в нормальном состоянии Mn(T), так и зависимости ∆Mns(T)-Mn(T)-Ms(T) в ряде случаев имеют особенности (аномалии), которые не удается удовлетворительно объяснить в рамках теоретического описания прямого взаимодействия акустических деформаций кристаллической решетки металла с электронными и фононными возбуждениями. В частности, обнаружено, что для быстроохлажденных образцов существует область температур, в которой наблюдается аномальное увеличение модулей упругости при N–S-переходе. Для интерпретации этих аномалий привлечены представления о резонансном взаимодействии звуковых колебаний с низкоэнергетическими дислокационными возбуждениями. Показано, что они являются следствием суперпозиции низкотемпературной динамической дислокационной релаксации и квазистатического термодинамического изменения электронного вклада в модули упругости при температурах ниже Tc. Полученные данные сопоставлены с известными результатами высоко- частотных измерений на частотах 10–30 МГц.

Досліджено низькотемпературні пружні властивості кристалів ніобію різної чистоти й орієнтації у нормальному (N) й надпровідному (S) станах. Експерименти виконані методом складеного вібратора на частотах ≈ 90 кГц. У температурному інтервалі 2–12 К отримані температурні залежності модуля Юнга E(T) і модуля зсуву G(N) у N- і S-станах. Установлено, що як температурні залежності величин окремих компонентів модулів пружності у нормальному стані Mn(T), так і залежності ∆Mns(T)-Mn(T)-Ms(T) у ряді випадків мають особливості (аномалії), які не вдається задовільно пояснити у рамках теоретичного опису прямої взаємодії акустичних деформацій кристалічної гратки металу з електронними й фононними збудженнями. Зокрема, виявлено, що для швидкоохолоджених зразків існує область температур, у якій спостерігається аномальне збільшення модулів пружності при N–S-переході. Для інтерпретації цих аномалій залучено уявлення про резонансну взаємодію звукових коливань із низькоенергетичними дислокаційними збудженнями. Показано, що вони є наслідком суперпозиції низькотемпературної динамічної дислокаційної релаксації й квазистатичної термодинамічної зміни електронного внеску у модулі пружності нижче температури Tc. Отримані дані зіставлені з відомими результатами високочастотних вимірів на частотах 10–30 МГц.

The low-temperature elastic properties of niobium crystals of different purity and orientations are investigated in normal (N) and superconducting (S) states. The experiments are carried out by the composite vibrator technique at frequencies 90 kHz. Temperature dependences of Young’s modulus E(T) and shear modulus G(T) in the normal and superconducting states are measured in the temperature range 2 K < T < 12 K. It is found that both the temperature dependences of elastic moduli in normal state Mn(T) as well as the dependences ∆Mns(T)-Mn(T)-Ms(T) have in some cases features (anomalies) that can not be explained within the theoretical description of direct interaction of crystal lattice acoustic deformations with electron and phonon excitations in metals. In particular, it is established that for rapidly cooled samples there exists a temperature range where an anomalous increase in the elastic moduli is observed at the N–S transition. To interpret these anomalies, a concept of resonant interaction of sound oscillations with low-energy dislocation excitations is suggested. It is shown, that the anomalies may be due to the superposition of the low-temperature dynamic dislocation relaxation and a quasistatic thermodynamic change of the electron contribution to the elastic moduli at temperatures below Tc. The data obtained are compared with the results known from the high-frequency experiments at frequencies 10–30 MHz.