Автореферат (Многощелевая сверхпроводимость допированных купратов)

На правах рукописиУДК 537.312.62Кульбачинский Сергей ВладимировичМногощелевая сверхпроводимость допированныхкупратовСпециальность 01.04.09 - физика низких температурАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2016Работа выполнена в ФГУП «Всероссийский электротехнический институт им. В.И.Ленина»Научный руководитель:доктор физико-математических наук, профессор Фишер Леонид Михайлович,(АО «Научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации»)Научный консультант:доктор физико-математических наук, профессор Пономарев Ярослав Георгиевич,Физический факультет МГУ имени М.В.

ЛомоносоваОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессор Пудалов Владимир Моисеевич,Физический институт им. П. Н. Лебедева РАНдоктор физико-математических наук, профессор Арутюнов Константин Юрьевич,Московский институт электроники и математики / Департамент электронной инженерии,Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»Ведущая организация: Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН13октябряЗащита состоится “____”___________2016 года в ____ часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 в Московском Государственном Университете имениМ.В.

Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1, Москва, Ленинские Горы, МГУ, дом 1, строение35, ЦКП, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУимени М.В. Ломоносова и в сети Internet по адресу:http://phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-70/Автореферат разослан “____” _____________ 2016 г.Ученый секретарь диссертационного советаД 501.001.70 в МГУ имени М.В. Ломоносовакандидат физико – математических наук,доцентА.И.

Ефимова2Актуальность темы исследованияАктуальность темы настоящей диссертации “Многощелевая сверхпроводимостьдопированных купратов” определяется необходимостью исследований сверхпроводящихсвойств и механизмов сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводников,имеющих огромное прикладное значение. До настоящего времени механизм спаривания ввысокотемпературных сверхпроводниках остается до конца не изученным. Кроме этого,отсутствуют систематические исследования джозефсоновских контактов на базевысокотемпературных сверхпроводников.В конце 1986 года Йоханнес Георг Беднорц и Карл Александр Мюллер обнаружилисверхпроводимость в сложном оксиде La-Ba-Cu-O с критической температурой Тс36 К [1].Достижение комнатной температуры для сверхпроводимости остается одной из наиболеезначимых и актуальных задач ученых во всем мире.

Открытие высокотемпературнойсверхпроводимости (ВТСП) поставило задачу определения механизма спаривания в новомклассе сверхпроводящих материалов. До сих пор окончательно этот вопрос не решен.В декабре 2014 г. под высоким давлением в алмазных наковальнях в сероводородеА.П. Дроздов, М.И. Еремец и И.А. Троян обнаружили сверхпроводимость при 190 К [2]. Содной стороны, это рекордное значение температуры сверхпроводимости, подтверждающеепредсказанное металлическое состояние в металлическом водороде или обогащенныхводородом материалах.

А с другой стороны – это прямое подтверждение фононногомеханизма спаривания в высокотемпературных сверхпроводниках, как показано в работе [3].Для понимания явления ВТСП необходимо детальное изучение свойств электроннойи фононной подсистем, а также установление симметрии спаривания. Последнее требует отэкспериментальных методов высокого разрешения, как по энергии, так и по квазиимпульсу.Для изучения ВТСП привлекаются различные, взаимодополняющие спектроскопическиеметодики. Фотоэмиссия с угловым разрешением позволила установить форму поверхностиФерми, а также измерить зависимость сверхпроводящей щели от волнового вектора.Туннельная спектроскопия измеряет одночастичную плотность состояний с хорошимразрешением по энергии.

Эти спектроскопические методы дают информацию о величинесверхпроводящей щели, ее анизотропии и симметрии, что необходимо для пониманияприроды сверхпроводимости и проверки различных теоретических моделей ВТСП.В 1999 году А.А. Абрикосовым была предложена теоретическая модель, успешноописывающая явление высокотемпературной сверхпроводимости, и базирующаяся нафононном механизме спаривания [4-6]. Согласно Абрикосову высокая критическаятемпература Тс в ВТСП реализуется благодаря существованию вблизи уровня Фермипротяженной особенности ван Хова с высокой плотностью состояний [4-7]. В моделиАбрикосова основную роль в спаривании играют оптические фононы с малыми волновымивекторами [4-6, 8, 9].

Сильное электрон-фононное взаимодействие в ВТСП [10]подтверждается исследованиями неупругого туннелирования куперовских пар вс-направлении в BSCCO джозефсоновских контактах [11, 12], данными фотоэмиссионнойспектроскопии [13, 14] и исследованиями изотопического эффекта [15, 16]. В теоретическойработе М. Тачики с соавторами обсуждается еще один вариант фононного механизмаспаривания в ВТСП [17].Альтернативой фононному спариванию в ВТСП является спаривание на спиновыхфлуктуациях, амплитуда которых должна быть максимальна вблизи фазового переходамоттовский диэлектрик – сверхпроводник [18]. Сравнительно недавно было предположено,что недодопированные купратные ВТСП c магнонным спариванием характеризуются двумящелевыми энергиями p и s [19].

Согласно работе [19], s меняется с концентрацией дырок pподобно Тс, проходя через максимум при оптимальном допировании. В то же время pмонотонно растет при p0 (то есть, при переходе от передопированных образцов кнедодопированным).Существует, однако, ряд экспериментальных работ, в которых обнаруженныйавторами сильный рост сверхпроводящей щели S при переходе от оптимально3допированных образцов Bi-2212 к недодопированным связывается с ростом амплитудыспиновых флуктуаций вблизи границы перехода металл – моттовский диэлектрик [20-22].Полученные в [20-22] результаты противоречат данным работы [23].

Подробныеисследования влияния допирования на сверхпроводящую щель в Bi-2212(La) и Bi-2201(La),выполненные в [24] с помощью андреевской, туннельной и внутренней туннельнойспектроскопии, показали, что сверхпроводящая щель и критическая температура меняются сдопированием подобным образом, то есть существует скейлинг S и Tc.Из вышесказанного становится очевидной необходимость экспериментальногоисследования с помощью андреевской и туннельной спектроскопии влияния допирования ичисла CuO2–плоскостей на особенности многощелевой сверхпроводимости в различныхкупратных сверхпроводниках для определения величин щелей и электромагнитных свойствджозефсоновских контактов для возбуждения леггеттовских мод.

Решению именно такихзадач посвящена диссертационная работа.Цель работыОсновной задачей настоящей работы являлось экспериментальное исследованиеособенностей многощелевого сверхпроводящего состояния, электромагнитных свойствджозефсоновских контактов и легеттовских мод в близких к оптимальному допированиюобразцах ртутных купратов HgBa2Can-1CunO2n+2+δ: однослоевого ртутного купрата Hg-1201,двухслоевого ртутного купрата Hg-1212 и трехслоевого ртутного купрата Hg-1223 ислоистых купратных сверхпроводников Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+, YBa2Cu3O7-x,Tl2Ba2Can-1CunO2n+4+ с различным числом CuO2–плоскостей с помощью андреевской итуннельной спектроскопии.В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:1. С помощью андреевской спектроскопии измерить сверхпроводящую щель уоптимально допированных поликристаллических образцов ртутных купратов Hg-1201(Tc=93±2 K) и Hg-1212 (Tc=120±5 K).2.

Измерить сверхпроводящие щели у близких к оптимальному допированиюполикристаллических образцов Hg-1223 (Tc=124±5 K).3. НаблюдатьиисследоватьмногократныеандреевскиеотражениявScS-наноконтактах ртутных купратов, связанные, скорее всего, с излучением неравновесныхоптических фононов.4. С помощью андреевской и туннельной спектроскопии показать, чтосверхпроводимость в оптимально допированных образцах Bi-2201 (Tc=25±3 K), Bi-2212(Tc=92±2 K), Tl-2212 (Tc=105±2 K) имеет однощелевой характер.5. Установить, имеет ли сверхпроводимость в Bi-2223 (Tc=110±5 K), Tl-2223(Tc=118±5 K) многощелевой характер из-за различного уровня допирования внутренней (IP)и внешней (OP) CuO2–плоскостей в сверхпроводящих блоках.6.

Исследовать эффект многократных андреевских отражений в YBa2Cu3O7-x иTl2Ba2Ca2Cu3O10-, наблюдать тонкую структуру на ВАХ характеристиках, связанную сгенерацией леггеттовских плазмонов. В джозефсоновском режиме на контактах SIS типаизмерить зависимость критического тока от магнитного поля и исследовать геометрическиерезонансы Фиске.Научная новизна работы и положения, выносимые на защитуОсновные новые научные результаты, полученные в диссертации, состоят вследующем:1. С помощью андреевской спектроскопии установлено, что у оптимальнодопированных поликристаллических образцов ртутных купратов Hg-1201 (Tc=93±2 K) иHg-1212 (Tc=120±5 K) сверхпроводимость имеет однощелевой характер.2.

Обнаружены две сверхпроводящие щели у близких к оптимальному допированиюполикристаллических образцов Hg-1223 (Tc=124±5 K), соответствующие одной внутренней(IP) и двум внешним (OP) CuO2 – плоскостям в сверхпроводящем блоке.43. Обнаружены признаки неупругих многократных андреевских отражений вScS-наноконтактах ртутных купратов, связанных, скорее всего, с излучением неравновесныхоптических фононов.4. С помощью андреевской и туннельной спектроскопии показано, чтосверхпроводимость в оптимально допированных образцах Bi-2201 (Tc=25±3 K), Bi-2212(Tc=92±2 K), Tl-2212 (Tc=105±2 K) имеет однощелевой характер;5. Сверхпроводимость в Bi-2223 (Tc=110±5 K) и Tl-2223 (Tc=118±5 K) имеетмногощелевой характер из-за различного уровня допирования внутренней (IP) и внешней(OP) CuO2–плоскостей в сверхпроводящих блоках.6.