Высокотемпературные сверхпроводники

Дипломная работа - Физика

Другие дипломы по предмету Физика

Для того чтобы скачать эту работу.
1. Подтвердите что Вы не робот:
2. И нажмите на эту кнопку.
закрыть



Введение

 

Исследованиям низкотемпературных фазовых переходов к флуктуационному (ФП) и псевдощелевому (ПЩ) режимам в ВТСП соединениях, которые наблюдаются в нормальном состоянии при температурах вблизи и значительно выше критической (Тс) в данное время уделяется очень большое внимание. Согласно с современными представлениями считается, что именно эти физические явления могут служить ключем к пониманию природы ВТСП [1]. В данное время в литературных источниках интенсивно обсуждаются два основные сценария возникновения псевдощелевой аномалии в ВТСП-системах. Согласно первому, возникновение ПЩ связано с флуктуациями ближнего порядка диэлектрического типа, например, антиферромагнитными флуктуациями, волнами зарядовой и спиновой плотности и т.д.. Второй сценарий допускает формирование куперовских пар уже при температурах значительно выше критической Т* >> Тс с дальнейшим установлением их фазовой когерентности при Т < Tc . Среди теоретических работ, которые отстаивают вторую точку зрения, следует отметить теорию кроссовера от механизма БКШ к механизму бозе-эйнштейновской конденсации. При достаточно высокой точности измерений значения псевдощели в широком интервале температур можно определить из зависимостей ρab(Т) (электросопротивление в базисной плоскости) при температурах ниже некоторого характерного значения Т* (температуры открытия псевдощели).

Самыми перспективными для изучения в этом аспекте являются соединения Y1Ba2Cu3O7-δ, что обусловлено возможностью широкого варьирования их состава путем замены иттрия его изоэлектронными аналогами, или изменения степени кислородной нестехиометрии. Особый интерес представляет частичная замена Y на Pr, которая, с одной стороны, приводит к подавлению сверхпроводимости (в отличие от случаев замены Y на другие редкоземельные элементы), а с другой - позволяет сохранять практически неизменимыми параметры решетки и кислородный индекс δ.. В данной работе было исследовано влияние малых (до z≈0.05) примесей Pr на режим ПЩ в монокристалах Y1-zPrzBa2Cu3O7-δ с высокой критической температурой (Tc) и системой однонаправленных ДГ при ориентации вектора транспортного тока I║ДГ, когда влияние двойников на процессы рассеивания носителей минимальное [2]. Следует отметить, что валентность празеодима (+4) отличается от валентности иттрия (+3), что может влиять в конечном счете на концентрацию дырок в соединении Y1-zPrzBa2Cu3O7-δ и критические параметры при легировании.

 

1. Литературный обзор

 

.1 Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)

 

.1.1 Определение ВТСП

Высокотемпературные сверхпроводники (высокие Tc) - семейство материалов (сверхпроводящих керамик) с общей структурной особенностью, которую можно охарактеризовать относительно хорошо выделенными медно-кислородными плоскостями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди всех известных сверхпроводников. Нормальное (и сверхпроводящее) состояния обнаруживают много общих особенностей для купратов с различными составами; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ. Хотя единой и последовательной теории сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, данная проблема привела к появлению многих важных экспериментальных и теоретических результатов, и интерес к этой области сосредоточен не только на достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. За экспериментальное открытие первого высокотемпературного сверхпроводника в 1987 была немедленно присуждена Нобелевская премия.

 

.1.2 Структура

). Все основные ВТСП-системы имеют слоистую структуру. На рис. 1.1 приведена для примера структура элементарной ячейки ВТСП-соединения YBa2Cu3O7. Обращает на себя внимание очень большая величина параметра решетки в направлении оси с. Для YBa2Cu3O7 с=11.7.

 

Рис. 1.1 Структура элементарной ячейки ВТСП-соединения YBa2Cu3O7

 

). Наблюдается значительная анизотропия многих свойств таких соединений. Как правило соединения с большими n - металлы (хотя и плохие) в плоскости ab, и обнаруживают полупроводниковое поведение в третьем направлении, вдоль оси с. Но при этом они являются сверхпроводниками.

). В некоторых ВТСП-системах наблюдается сверхструктурная модуляция решетки, например, в системе Bi2Sr2Can-1CunOδ. Имеется определенная корреляция Тc с периодом этой модуляции.

). Еще более необычны структурные образования, наблюдавшиеся в

ВТСП-системах, так называемые страйпы. Страйпы представляют собой сверхструктурную модуляцию зарядовой плотности. Их период составляет несколько ангстрем. Как правило, это динамические образования и они проявляются в изменении некоторых свойств ВТСП. Однако при введении примесей они могут запиннинговаться на этих дефектах и будут наблюдаться в статике.

 

.1.3 Температурная зависимость сопротивления R(T)

Во многих купратных ВТСП R(T) зависит практически линейно от температуры Т [4]. Пример для YBa2Cu3O7 приведен на рис. 1.2. Это сопротивление изменено в плоскости ab. Удивительно, что в чистых образцах экстраполяция этой зависимости в область низких температур ведет себя так, как будто остаточное сопротивление совершенно отсутствует. В ряде других ВТСП, с меньшими Тc, где удается подавить сверхпроводимость магнитным полем, зависимость R(T) линейна вплоть до очень низких температур. Такая линейная зависимость наблюдается в очень широкой области температур: от ~10-3 до 600К (при более высоких температурах уже начинает меняться концентрация кислорода). Это совершенно необычное поведение для металла. Для объяснения привлекались раздичные модели (нефононный механизм рассеяния носителей, изменение концентрации электронов с Т и др.). Однако эта проблема еще не разрешена до конца.

На рис. 1.3 показана температурная зависимость сопротивления для ВТСП-соединения YBa2Cu3O7 вдоль оси с. Ход полупроводниковый, а наблюдаемая величина сопротивления приблизительно в 1000 раз больше.

 

Рис. 1.2 Температурная зависимость сопротивления YBa2Cu3O7 в плоскости ab

 

Рис.1.3 Температурная зависимость сопротивления YBa2Cu3O7 вдоль оси с

 

.2 Псевдощель и фазовая диаграмма

 

.2.1 Псевдощель

Еще одно уникальное явление, обнаруживаемое только в ВТСП, − псевдощель ∆*. При некоторой температуре Т*>Tc плотность состояний на поверхности Ферми перераспределяется: на части поверхности плотность состояний уменьшается. Ниже температуры Т* соединение существует в несколько необычном нормальном состоянии - состоянии с псевдощелью. Величина Т* при низком уровне легирования может достигать значений 300-600К для разных ВТСП-систем, т.е. сильно превосходить Тc. В области слабого легирования Т* падает с ростом уровня легирования, в то время как Тс растет [5].

Псевдощель проявляется при измерениях туннелирования, фотоэмиссии, теплоемкости и других свойств ВТСП. В то же время проводимость образца при Т<T* остается конечной и не равна нулю. Отсюда и произошло название. На рис. 1.4 показана зависимость псевдощели от уровня легирования в ВТСП-системах YBa2Cu3O7-δ и BiSrCaCuO. Несмотря на большой разброс экспериментальных точек, видно, что ∆* может быть намного больше ∆ и достигать 80-100мэВ.

 

Рис. 1.4 Зависимость псевдощели ∆* от концентрации дырок для ВТСП-систем YBa2Cu3O7-δ и BiSrCaCuO [4]. Величина псевдощели определялась по измерениям туннелирования (квадраты), теплоемкости (точки) и методом ARPES (ромбы). Пунктирная линия ∆(p)=5kTc(p)

Для объяснения псевдощелевого состояния были предложены три основные модели[ 5]:

). Флуктуации фазы параметра порядка имеют столь большую амплитуду, что понижают температуру перехода в СП состояние от Т* до Тc. При этом куперовские пары электронов при Т>Tc существуют, но флуктуационно.

). При Т* образуются стабильные пары электронов (как в обычных сверхпроводниках), однако они не когерентны, поэтому их бозе-конденсация не наступает вплоть до Т=Тc. Бозе-конденсация (образование когерентного состояния) происходит при Тc.

Оба сценария имеют право на существование, так как длина когерентности (размер пары) в ВТСП очень мала. Однако целый ряд экспериментов противоречит этому сценарию и указывает на независимость ∆* и сверхпроводящей щели ∆. Например, в соединении Bi2Sr2CuO6 обе щели сосуществуют вплоть до очень низких температур.

Известно и такое утверждение, которое противоречит данной модели, в которой ∆* является предвестником ∆: в магнитном поле ∆→0, в то время как ∆* от поля зависит слабо. Отсюда делается вывод о разной природе ∆* и ∆. В работе [6] псевдощель ∆* наблюдалась в коре вихрей. Это по мнению авторов - аргумент в пользу разной природы ∆ и ∆*. Этот вывод считают не очень убедительным, т.к. магнитному полю труднее подавить отдельные пары, чем конденсат в целом.

). Антиферромагнитное упорядочение приводит к образованию магнитной зоны Бриллюэна с уменьшенным периодом в k - пространстве. Это, в свою очередь, приводит при температуре Т* к образованию диэлектрической щели на поверхности Ферми (так называемый нестинг) для некоторых направлений в кристалле.

Единого мнения до сих пор нет. Возможно, что псевдощелевое состояние - это состояние, в котором образуется и диэлектрическая щель в некоторых направлениях и в то же время возникают некогерентные пары электронов (дырок).

 

.2.2 Фазовая диаграмма

Варианты типичной фазовой диаграммы ВТСП-купратов показаны на рис. 1.5. В зависимости от концен