Observation des états métastables d'alliages supraconducteurs de première espèce

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Submitted on 1 Jan 1969

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Observation des états métastables d’alliages supraconducteurs de première espèce

C. Valette, J.P. Burger

To cite this version:

C. Valette, J.P. Burger. Observation des états métastables d’alliages supraconducteurs de première

espèce. Journal de Physique, 1969, 30 (7), pp.562-565. �10.1051/jphys:01969003007056201�. �jpa-

00206818�

L’intérêt de ces etudes reside dans la

possibilit6

^de

determiner les sections efficaces de r6excitation elec-

tronique

^{des atomes} m6tastables du neon

(transitions

métastables-niveaux

superieurs) .

Appendice.

^{- Les} densites des atomes m6tastables

atteignent

leurs valeurs

d’équilibre B 20132013 =

^dt

₀

^/ en

des

temps beaucoup plus longs

que ^ceux de la cascade radiative

(cf. [10], chap.

^II

1)

^{et cette} cascade radiative

ne

peut,

^{en raison de}

l’emprisonnement

des raies de

r6sonance, qu’alimenter

les niveaux m6tastables. En

consequence,

^nous

prendrons

pour aM 1’ensemble des sections efficaces

d’excitation,

^soit

pratiquement

^la

section efficace d’ionisation 6I.

Dans une

decharge r6gie principalement

par l’ioni- sation des atomes a 1’etat fondamental et la diffusion des electrons sur les

parois,

1’evolution de la densite

electronique

^{s’6crit :}

A

1’equilibre,

^nous obtenons la relation :

Et, puisque aM v > aI v), l’expression (A. 2)

nous permet ^{d’ecrire :}

Remerciements. ^-

Je

tiens à remercier M. le Pro- fesseur

J.

M. Rocard _pour les conseils

qu’il

^m’a

prodigues

^{au cours} de la realisation de ce travail et

lors de la redaction de cet

article,

^ainsi que

M.J.

^Godart

(Laboratoire

^de

Physique

des Plasmas

d’Orsay)

pour l’aide

qu’il

^m’a

apport6e

^{lors du}

d6veloppement

^des

calculs.

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OBSERVATION

DES

ÉTATS MÉTASTABLES D’ALLIAGES SUPRACONDUCTEURS

DE

PREMIÈRE ESPÈCE

Par C. VALETTE et

J.

^P.

BURGER,

Laboratoire de Physique des Solides

(1),

Faculté des Sciences, 9I-Orsay.

(Reçu

^{le 18 mays}

1969.)

Résumé. 2014 Nous avons fait une étude

expérimentale

des états métastables dans des

alliages

^d’InBi

(concentration atomique

^{en Bi} inférieure à 1

%) ;

nous en avons déduit la valeur du

paramètre

^de

Landau-Ginzburg

^x

près

^{de la}

température critique.

Ces déterminations sont cohérentes avec celles obtenues sur des

alliages plus

concentrés, ^{de deuxième}

espèce.

Abstract. ²⁰¹⁴ We have

performed experimental

^{studies of the} metastable states in InBi

alloys (atomic

concentration in Bi lower than 1

%)

^{from which we} have deduced the value of the

Ginzburg-Landau parameter

^{x near} the critical temperature. ^{These values are consistent} with those obtained on more concentrated 2nd kind

alloys.

LE JOURNAL ^DE PHYSIQUE ^TOME 30, JUILLUT 1969,

(1)

^{Associ6 au C.N.R.S.}

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01969003007056201

Dans les

supraconducteurs

^de

premiere espece,

^la

transition

supraconducteur

^{normal en}

champ magn6- tique

^{est du}

premier ordre,

^ce

qui permet

^de

distinguer,

outre le

champ thermodynamique H,,

^{deux autres}

champs caractéristiques

d’etats metastables :

HSh champ

^de surchauffe en

champ

^croissant

Hsc champ

^{de retard a} la condensation en

champ

decroissant =

2,39 xHc.

Les 6tats metastables dans les

supraconducteurs

^de

premiere espece

^{ont ete 6tudi6s en detail sur}

quelques

metaux purs

[1], [2].

^{Mais le cas des}

alliages

^de pre- mi6re

espece

^{avait ete} laisse de cote. Faber

[3],

^{, dans}

ses etudes sur la surchauffe et le retard a la conden- sation de

specimens ^massifs,

avait trouve que l’intro- duction de

0,5 %

^{d’indium en} solution solide dans de retain _pur suffisait a

empecher

l’observation du retard a la condensation _par suite de la

presence

de d6fauts.

Les

experiences

ci-dessous ont ete faites sur une

s6rie

d’alliages d’InBi, prepares

^{sous forme de}

grains

d’une dizaine de microns de

diametre,

^en

suspension

dans de 1’huile. Comme on le sait

[1],

^{de telles}

geome-

tries sont tres favorables a l’observation des 6tats

metastables,

fondamentalement _pour deux

raisons;

^la

premiere,

^c’est

qu’il

^{est assez}

facile,

contrairement ^au

cas des mat6riaux

massifs,

^de

pr6parer

^{de tels}

grains

de

petites

dimensions sans d6fauts

genants;

^la

seconde,

c’est _que si une nucleation accidentelle se

produit

^dans

un

grain,

^{elle ne se} propage pas dans les autres

grains :

il suffit donc d’avoir ^un certain pourcentage ^de

grains

«

parfaits »

pour observer les limites

th6oriques

^d’exis-

tence des 6tats metastables. Or la mesure des

champs HSh

^et

Hsc

^est

particulierement int6ressante,

^{car elle}

fournit une des rares determinations du

parametre

^de

Ginzburg-Landau

^{x des}

supraconducteurs

^de

premiere espece ;

^en

^effet,

^{si dans le cas de}

supraconducteurs

de deuxieme

espece

^il existe de nombreuses methodes pour determiner _x, il n’en est pas de meme _pour ceux

de

premiere espece.

Preparation

des dchantillons. ^- A

partir

^d’un

alliage mere,

nous avons

prepare

^{une serie}

d’alliages

^de

concentrations

0,1, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8

^{et 1}

%

^{de Bi}

dans de Fin

(produits Johnson-Mattey, spectrographi-

quement

purs).

Les colloides ont ete faits _par

agitation

ultrasonore a 80

kHz,

^des

alliages

^{fondus a 180 °C}

dans de 1’huile

Apiezon

^de pompe a diffusion. Les colloides ainsi

prepares

^{ont ete recuits}

pendant

^une

semaine a 1400 dans des

capsules

^de

teflon, puis agit6s,

afin de bien

s6parer

^les

grains,

^et

tremp6s

^{a 1’azote}

liquide.

^Le facteur de

remplissage

^est de l’ordre de 1

%.

Technique

de mesure. ^- Nous mesurons la fr6- quence propre d’oscillation d’un oscillateur

immerge

dans 1’helium

liquide, compose

^d’une

capacité,

^d’une

bobine d6tectrice entourant le colloide et d’une diode

BD1 General Electric. Le

systeme

^{a une stabilite}

meilleure _que 10-6 a 2

MHz,

^{et il a}

l’avantage

^d’osciller

6galement

^{a la}

temperature ambiante,

^le

Q,

^{du circuit}

6tant assez

important.

Les variations de

fr6quence

^en

presence

^d’un

champ magn6tique statique applique a

l’ échantillon sont enre-

gistrées,

^{mettant ainsi en} evidence le

champ

^{de sur-}

chauffe

Hh

^au-dela

duquel

^toute

supraconductivité

est

d6truite,

^{et le}

champ

^{de retard a} la condensation

Hsc

en dessous

duquel l’état

^{normal est} seul stable

[1], [2].

Rdsultats. ^-

a)

TEMPERATURE CRITIQUE

Tc.

^{- Les}

mesures de la

temperature critique

^{de nos}

alliages ( fig. 1)

^{sont en accord avec celles de}

Kinsel, Lynton,

Serin et Chanin

[4], [5].

^Ce

fait,

^ainsi que la faible

FIG. 1. ^- Variation de la

temperature critique

^des

alliages

^{d’ InBi en fonction} de la concentration ato-

mique

^en

Bi.

largeur

des transitions

(10-2 OK,

^{du meme ordre} que pour l’indium _pur

colloidal) indiquent

que les échan- tillons peuvent ^etre consid6r6s comme

homog6nes.

b) ^ETATS

METASTABLES. ^-

oc)

Choix de la

température

de mesure. ^-

L’interprétation

^des

expériences

^6tant

faite dans

l’approximation

^de

Landau-Ginzburg,

^les

mesures doivent etre effectuées aussi

pres

que

possible de T, (d’ailleurs,

^{a basse}

temperature,

les d6fauts des 6chantillons deviennent

plus genants

^du fait de la diminution de la

longueur

^de

cohérence ç(T)). Cepen- dant,

nous sommes limites d’une part par 1’existence d’une

largeur

finie de la transition ^en

temperature,

et d’autre

part

par la necessite d’6viter les effets de taille

(X(T) diverge

^a

T,;

^les

grains

^{de notre colloide}

ont un diam6tre d’une dizaine de

microns).

^Ceci

conduit a faire nos

experiences

^{a une}

temperature

^de

l’ordre de

0,97 T, ( fig. 2) (2).

(2)

^Cette

temperature

^n’est pas ^assez 6lev6e pour 6tre dans la limite de

Ginzburg-Landau,

^definie

par X(T) > , (surtout

^{dans le cas de} l’indium pur ^{et des}

alliages plus dilues)

l’incertitude

theorique

introduite dans ^la valeur de x

peut

etre estim6e a 2 a 3

% (ordre

^de

grandeur

^de

la variation

experimentale

^{du x de} l’indium pur ^entre T ⁼ 0,97

T,

^{et T =}

T,).

P)

Prévisions

thioriques

^{sur le}

champ Hsh. -

^Le rap-

port HShl He

^a ete calcul6 en fonction de x dans

l’approxi-

mation de

Ginzburg-Landau

^{a une}

dimension,

par

Ginzburg [6],

^et

plus

^{r6cemment par Matricon et}

Saint-James [7],

^en cherchant la limite d’existence de

FIG. 2. ^- Courbes

experimentales

^de la variation de

f requence

^Av

(unite arbitraire)

de l’oscillateur en fonc- tion du

champ magn6tique applique,

^{montrant le}

cycle d’hyst6r6sis

pour ^deux

alliages

d’ InBi colloidal :

a)

0,1

%

^{de Bi,}

temperature TIT, -

^0,972.

b)

0,4

0/

^de Bi,

temperature TIT,

^{= 0,965.}

1’etat Meissner. D’autres calculs

[8]

^{ont ete faits en}

tenant

compte

^des

perturbations

^a

plus

^d’un

degr6

^de

libert6;

^ils conduisent a une valeur inferieure du

champ HSh

dans le domaine des fortes valeurs de ^x.

Mais un calcul recent de Kramer

[9]

^semble

indiquer

que le r6sultat ^est

inchangé

pour

x 0,5,

^cas

qui

nous interesse ici

(3).

y)

Prévisions

thioriques

^{sur le}

champ Hsc.

^{- Le}

champ

de retard a la condensation est

simplement

^le

champ Hsc

⁼

H,.

⁼

^1,69

^x

V2Hc

^calcul6 par

Saint-James

^et

de Gennes

[10],

^{tout au} moins dans le cas ou

K 0,409.

Dans le domaine

0,409 x 0,417 (4),

^{il semble}

6tabli

th6oriquement

^et

exp6rimentalement

^{que le}

champ Hsc

^{est inferieur au}

champ HC3 [11], [12].

(3)

^{A cause} de 1’existence du

champ d6magn6tisant

dans une

sphere supraconductrice,

^{on ne}

peut

^observer

la surchauffe dans des colloides que pour K 0,5 ; ^à

partir

^{de cette} valeur, ^le

champ

^de surchauffe d’une

sphere

devient inferieur a Hc.

(4)

^{Pour x =} 0,417,

H,.,

⁼ H,.

8) lnterprétation

^de nos mesures sur les ichantillons de concentration

inférieure

^a

^0,6 %. -

^La valeur de

H, pres

^de

T e

^est entach6e d’une certaine

imprecision,

due a 1’existence d’une

largeur

de transition en

temp6-

rature, faible ^{mais non} nulle. Afin de nous affranchir de cette

difficult6,

nous avons elimine

H,

^{en traqant}

la variation de

HSh

_en fonction de x. Dans le domaine

Hsc

de concentration

0-0,6 %,

^{nous en tirons} les valeurs de x

( fig. 4).

Ces determinations sont

cependant

^de

moins en moins

pr6cises quand

la concentration de Bi augmente, ^les

enregistrements pr6sentant

^{sur la courbe}

de retard a la condensation des _queues de transition de

plus

^en

plus importantes ( fig.

²

b).

^Cet

effet, qui

s’observe meme

quand

^la

largeur

de transition ^en

temperature

^est

^faible,

^semble trop

important

pour etre du seulement a 1’existence

d’inhomogénéité

^{de concen-}

trations. 11

pourrait sugg6rer

1’action d’un mecanisme tendant a freiner

1’expulsion

^{du flux}

magn6tique

^en

champ

d6croissant. Les calculs de ^x _pour les échan-

FIG. 3. ^- Variation de

fréquence

^w

(unite arbitraire)

en fonction du

champ magnetique applique,

pour ^un 6chantillon massif

cylindrique

d’ InBi a 1 ° o,

temp6-

rature

TIT,

⁼ 0,988.

FIG. 4. ^- Variation du

parametre

^de

Ginzburg-Landau

^x

pour ^des

alliages

d’ InBi, ^{en fonction de la} concentration

atomique en Bi.

tillons de concentration inferieure a

0,6 %

^{sont faits}

mog6n6it6s residuelles) .

^La

partie 61argie

^est

reversible,

en

n6gligeant

^ces queues de transition. On constate la

partie

^{raide montre une}

hysteresis 16g6re.

^{Ces faits}

une deviation

syst6matique

^{de la variation lin6aire}

x (x),

^nous conduisent a

interpreter

la transition raide comme

les valeurs de x

quand

la concentration augmente ^6tant

Hc,

^la

partie

reversible determinant

HC3 (on

devenant trop faibles. Pour 1’echantillon de

0,8 %, n6glige

^la queue de

transition).

^Le rapport ^{de ces}

on trouve une valeur nettement

trop

faible de _x;

champs

^fournit

donc x, cette

determination permettant

cependant,

^notre methode de

d6pouillement

n’est vrai- de tracer avec une bonne

precision

la variation lin6aire semblablement

plus

correcte, le

champ

^{de retard a la de x avec} la concentration.

condensation

pouvant

^{etre inferieur a}

Hca.

s) Interpritation

^de nos mesures sur l’echantillon de concen-

Conclusion.

^- Nos déterminations

de x

^pour

des

tration 1

%. -

_% Sur l’ échantillon

colloidal,

^on

observe alliages d !nBI supraconducteurs de premiere espece,

’.c..

I, ,

d d’ , bl h’

un

cycle d’hyst6r6sis

^{du meme}

type,

^avec

d’importantes

^{faites par}

l’etude

des etats

metastables,

^{sont coherentes}

queues de

transition,

^non

interprétable

pour les mêmes avec d’autres mesures

[5]

effectuees sur des

alliages

raisons _que

1’alliage a ^0,8 %.

^d’InBi

plus

concentres et de seconde

espece.

Cependant,

^nous pouvons obtenir la valeur de x Cette 6tude ^montre donc _que l’observation d’6tats par 1’etude du meme

alliage

^a 1’etat massif. En

effet,

metastables ^est

possible malgr6

^la

presence

^{de d6fauts}

la mesure de cet 6chantillon a 1’etat

massif,

^{sous la} inherents aux

alliages.

L’influence de ces

defauts depen-

forme d’un

cylindre

^{de 5 cm de}

long

^{et 1 mm de} dant du

rapport djE,(T)

^{ou d est} la taille du d6faut se

diam6tre

place

^a l’int6rieur d’un tube de _pyrex et trouve minimis6e si l’on travaille au

voisinage

^{de la}

soigneusement recuit,

^{met en evidence une} transition

temperature critique (E,(T) diverge).

en

champ pres

^de

T,

^se

produisant

^{en deux} temps

( fig. 3) :

^une

partie

^{tres raide et une}

partie 61argie

^avec Nous remercions M. G. Deutscher _pour de nom- une queue de transition

(probablement

^{due aux inho-} breuses discussions sur le

sujet.

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