Письма в ЖЭТФ, том 89, вып. 5, с. 295-297
© 2009 г. 10 марта
Сверхпроводимость ванадия и сплавов ванадий-титан
при высоких давлениях
Е. Г. Понптопский1 , И. О. Вашкин, В. Г. Тиссен, М. В. Нефедова Институт физики твердого тела РАН, 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия
Поступила в редакцию 11 января 2009 г.
После переработки 29 января 2009 г.
Исследовано влияние давления на температуру перехода в сверхпроводящее состояние Тс ванадия и ОЦК сплавов ванадия с титаном следующих составов (ат.%): У94Т1е, Ук.-.Ти.-.Л'птТЬ!.-! и \".1кТ1.-.2. Обнаружено, что зависимость ТС(Р) для чистого ванадия в интервалах давлений 0-14 и 23-32 ГПа близка к линейной, а в интервале 14-23 ГПа йТс/йР уменьшается до нуля с ростом давления. Кривые ТС(Р) для всех исследованных сплавов являются немонотонными и имеют по две особенности, первая из которых находится в интервале давлений 3-11 ГПа, а вторая, имеющая форму пика, при 15-25 ГПа.
РАСБ: 74.62.Fj, 74.70.Ad
1. Введение. В последние годы появились свидетельства того, что сжатие ОЦК кристаллической решетки элементов \Пэ группы приводит к аномалиям в их фононном спектре в некотором диапазоне давлений. Наблюдаемая особенность на зависимости температуры сверхпроводящего перехода Тс от давления для ниобия при Р ~ 5 ГПа [1] объясняется вызванным давлением смягчением фононных мод [2]. По мнению авторов [3], по этой же причине в ванадии происходит структурный переход из ОЦК в ромбоэдрическую фазу при комнатной температуре и давлениях 63 и 69 ГПа в квазигидростатических и негидростатических условиях,соответственно.
Ранее сообщалось о небольшом ступенчатом увеличении Тс ванадия при давлении около 60 ГПа [4], хотя при этом и отмечалось, что необходимы более детальные измерения для подтверждения этой аномалии. Наблюдается также нерегулярность в поведении ТС(Р) для ванадия в интервале давлений 1820 ГПа, где опубликованные в работах [5, 6] данные демонстрируют заметное расхождение.
Известно, что легирование может достаточно сильно сдвигать фазовые превращения в металлах. В приближении виртуального кристалла получено, что добавление в ванадий всего лишь 10 ат.% хрома, соседа справа в периодической системе, полностью подавляет переход ОЦК - ромбоэдр [7]. Мы полагаем, что легирование ванадия титаном, соседом слева, могло бы понизить давление этого превращения, поскольку титан при комнатной температуре не обладает ОЦК структурой в широком диапазоне давлений.
^ e-mail: ponyatoveissp.ac.ru
В настоящей работе измерена Тс чистого ванадия при давлениях до 32 ГПа для определения формы аномального участка кривой ТС(Р), а также исследованы зависимости ТС(Р) ОЦК сплавов V-Ti с целью поиска особенностей, связанных с возможным структурным переходом ОЦК - ромбоэдрическая фаза.
2. Методика. Сплавы V04Ti6, V8sTii5, V67Ti33 и V4gTi52 изготавливались многократной зонной плавкой спрессованной смеси тонких стружек исходных металлов чистотой выше 99.95 ат.% в вакууме Ю-6 мм рт. ст. На фазовой С — Т диаграмме системы V-Ti имеется широкая двухфазная область ОЦК + + ГПУ фаз [8]. Верхняя граница области двухфазного равновесия для исследованных сплавов расположена при Т ~ 870 К. Минимальная температура плавления для этих составов соответствует Т ~ 1970 К, поэтому приготовленные нами сплавы легко переохлаждались в ОЦК до комнатной температуры и оставались метастабильно устойчивыми вплоть до температуры жидкого гелия. Однофазное ОЦК состояние сплавов контролировалось рентгенографическим методом на дифрактометре Siemens-D500.
Для получения высоких давлений использовался аппарат с алмазными наковальнями, имеющими рабочую площадку 0.4 мм. Передающей давление средой служила смесь метилового и этилового спиртов. Давление определялось по сдвигу линии люминесценции рубина. Для измерения магнитной восприимчивости х образца на переменном токе использовалась система сбалансированных катушек, сигнал с которых подавался на фазочувствительный усилитель Stanford Research SR830. Переходы в сверхпроводящее состояние фиксировались по скачкам на температурной зависимости магнитной восприимчивос-
296
Е. Г. Понятовский, И. О. Башкин, В. Г. Тиссен, М. В. Нефедова
ти образца. Значение Тс определяли как точку пересечения между касательной к участку крутого падения кривой х(Т) и продолжением ее высокотемпературного горизонтального участка. Детали устройства аппарата и проведения измерений описаны в [9].
3. Результаты и обсуждение. Зависимость Тс для чистого ванадия от давления и опубликованные ранее данные из работ [5] (перестроены с использованием современной шкалы давлений) и [6] приведены на рис.1. Из наших данных следует, что зависимость
10 9 8
Г" 7
6-
Р (ОРа)
Рис.1. Зависимость температуры сверхпроводящего перехода для чистого ванадия от давления
ТС(Р) для ванадия состоит из трех участков: почти прямой линии до ~ 14 Ша, затем кривой с плавно уменьшающейся производной в,Тс/йР от ~ 1К/Ша при Р < 14 ГПа до нуля при Р = 23 ГПа и прямой линии при Р > 23 ГПа. В начальной области давлений все кривые ТС(Р) достаточно близки, однако значения давления, при которых происходит переход ко второй линейной зависимости, различаются. Расхождения могут быть обусловлены различием в степени негидростатичности давления в этих экспериментах и различной чистотой образцов.
По-видимому, особенность на кривой ТС(Р) для ванадия обусловлена аномалией в фононном спектре. Отчасти это подтверждается теоретическими расчетами динамики решетки и электрон-фононного взаимодействия для ванадия при некоторых значениях давления [10]. Можно усмотреть локальный максимум для усредненной фононной частоты и отчетливый минимум для константы электрон-фононного взаимодействия около 20 ГПа. К сожалению, для области давлений, включающей аномалию, приведены лишь два расчетных значения Тс.
На рис.2 представлены зависимости ТС(Р) для сплавов У-И различного состава. Видно, что не-
14 г— 12 -10 -8 -6 -
— ^94^6
1 — У85ТЧ5
14 12 10
8
' ▲ — У48Т152
♦ — ^67Т^33 'ли-*
Г ♦ «г
А / /
- ж | . ......
10
20 30 Р (ОРа)
40
50
Рис.2. Зависимость температуры сверхпроводящего перехода для ОЦК СПЛаВОВ \^94Т1д, \^8бТ115 ,\^67Т1зз И У48Т1б2 от давления
сколько измененная по форме аномалия, наблюдаемая для чистого ванадия, присутствует на всех кривых. Для сплавов ее положение сдвинуто вниз по давлению по сравнению с ванадием. Но более интересным представляется появление на зависимостях ТС(Р) для всех сплавов, за исключением У^Т'х^, достаточно узких пиков.
На рис.3 изображены изобарические зависимости Х(Т) для сплава УввТ^. Наибольшая ширина сверхпроводящего перехода (приблизительно 1.5 К) наблюдается в вершине максимума при Р = 24.6 ГПа. При давлениях левее и правее максимума ширина перехода находится в пределах 0.7-0.8 К. Высота максимума составляет около 3 К, что значительно превышает ширину перехода.
Насколько нам известно, аномалия в виде пика на зависимости ТС(Р) наблюдалась лишь для лантана [11], в котором эта особенность связана с переходом второго рода ГЦК - искаженная ГЦК. В структурных исследованиях, проведенных на синхротроне при комнатной температуре, переход ОЦК - ромбоэдрическая фаза в ванадии также выглядит как переход второго рода [3]. Согласно теоретическим расчетам [7, 12, 13], переход ОЦК - ромбоэдр в ванадии при Т = 0 К является переходом первого рода с изменением удельного объема всего лишь на 0.03% [13]. Экспе-
6
5
Сверхпроводимость ванадия и сплавов ...
--
с«
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Т (К)
Рис.3. Изобарические зависимости магнитной восприимчивости от температуры для сплава УввТив
риментально наблюдаемый переход второго рода при комнатной температуре объясняется тем, что энергия тепловых колебаний больше, чем скрытая теплота превращения [7]. Считается, что движущей силой этих структурных превращений в лантане и ванадии является смягчение фононных мод.
Таким образом, имеются общие черты в структурных превращениях ГЦК - искаженная ГЦК в лантане и ОЦК - ромбоэдрическая фаза в ванадии. Поэтому можно предположить, что наблюдаемые пики на кривых ТС(Р) для сплавов У-Т1 связаны со структурным переходом ОЦК - ромбоэдр. Для обнаружения подобной аномалии в чистом ванадии необходимы измерения Тс с небольшим шагом по давлению, хотя уже и в опубликованных данных [4] имеется одно значение Тс при Р = 62ГПа, которое может быть отнесено к пику.
4. Заключение. Обнаружение необычных особенностей на зависимостях ТС(Р) для сплавов У-Т1
297
требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований фононных спектров,электронной и кристаллической структуры при сжатии кристаллической решетки. Особенно интересны были бы структурные исследования чистого ванадия при низких температурах и высоких давлениях для выяснения вопроса о роде структурного перехода ОЦК -ромбоэдрическая фаза.
Работа выполнена при поддержке программы Президиума РАН "Теплофизика и механика экстремальных воздействий".
1. V.V. Struzhkin, Y.A. Timofeev, R.J. Hemley et al., Phys. Rev. Lett. 79, 4262 (1997).
2. M. Wierzbowska, S. de Gironcoli, and P. Giannozzi, arXiv:cond-mat/0504077 (2006).
3. Y. Ding, R. Ahuja, J. Shu et al., Phys. Rev. Lett. 98, 085502 (2007).
4. M. Ishizuka, M. I. Ketani, and S. Endo, Phys. Rev. В 61, R3823 (2000).
5. Н.Б. Брандт, О. А. Зарубина, ФТТ 15, 3432 (1973).
6. Y. Akahama, M. Kabayashi, and H. Kawamura. J. Phys. Soc. Japan 64, 4049 (1995).
7. B. Lee, R. E. Rudd, J. E. Klepeis et al., Phys. Rev. В 75, 180101(R) (2007).
8. J.L. Murrey, Bull. Alloy Phase Diagram 2, 49 (1981).
9. И.О. Башкин, M. В. Нефедова, В. Г. Тиссен и др., Письма в ЖЭТФ 80, 763 (2004).
10. N. Suzuki and М. Otani, J. Phys.: Condens. Matter 19, 125206 (2007).
11. V. G. Tissen, E. G. Ponyatovskii, M. V. Nefedova et al., Phys. Rev. В 53, 8238 "(1996).
12. S.L. Qiu and P.M. Marcus, J. Phys.: Condens. Matter 20, 275218 (2008).
13. B. Lee, R. E. Rudd, J. E. Klepeis et al., Phys. Rev. В 77, 134105 (2008).
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.