Диссертация (Многощелевая сверхпроводимость допированных купратов)

Федеральное государственное унитарное предприятие"Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина"На правах рукописиУДК 537.312.62Кульбачинский Сергей ВладимировичМногощелевая сверхпроводимость допированныхкупратовСпециальность 01.04.09 - физика низких температурДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Л.М. ФишерНаучный консультант:доктор физико-математических наук,профессор Я.Г. ПономаревМосква – 2016 г.ОГЛАВЛЕНИЕстр.Введение ................................................................................................................................... 4ГЛАВА 1 Сверхпроводящие свойства купратов ............................................................

13§ 1.1 Сверхпроводящие свойства ртутных купратов ...................................................... 131.1.1. Кристаллическая структура фаз Hg-1201, Hg-1212 и Hg-1223.Сверхпроводящие свойства. Квазидвумерный характер электронного транспорта 131.1.2 Купратные металлооксиды Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 .................................................

191.1.3 Возможные механизмы спаривания .................................................................... 22§ 1.2 Сверхпроводимсть в сероводороде при высоком давлении .................................. 24§ 1.3 Постановка задачи исследования ............................................................................. 31ГЛАВА 2 Андреевская спектроскопия ВТСП.

Приготовление образцов ................. 33§ 2.1. Техника записи вольт-амперных характеристик (ВАХ) ВТСП контактов ......... 33§ 2.2 Приготовление контактов на микротрещине в ВТСП монокристаллах иполикристаллических образцах ........................................................................................

39§ 2.3 Образцы ...................................................................................................................... 43§ 2.4 Многократные андреевские отражения в SnS контактах шарвинского типа ...... 48ГЛАВА 3 Исследование многощелевой сверхпроводимости ртутных купратов .... 51§ 3.1. Андреевсая спектроскопия фаз Hg-1201, Hg-1212 и Hg-1223 .............................

51§ 3.2. Признаки многощелевой сверхпроводимости и неупругие многократныеандреевские отражения ...................................................................................................... 58ГЛАВА 4 Многощелевая сверхпроводимость в допированных купратахBi2Sr2Can-1CunO2n+4+ и Tl2Ba2Can-1CunO2n+4+ ..................................................................

71§ 4.1 Особенности допирования многослоевых купратов .............................................. 71§ 4.2 Вольт-амперные характеристики купратов Bi-2201, Bi-2212 и Tl-2212 .............. 742§ 4.3 Причина возникновения многощелевой сверхпроводимости в Bi-2201, Bi-2212,Bi-2223, Tl-2212 и Tl-2223 .................................................................................................

79ГЛАВА 5 Электромагнитные свойства джозефсоновских контактов илеггеттовская мода в купратных сверхпроводниках YBa2Cu3O7-x иTl2Ba2Ca2Cu3O10- ..................................................................................................................

82§ 5.1 Ступеньки Фиске, скорость Свихарта ..................................................................... 82§ 5.2 Экспериментальные исследования нелинейного взаимодействия джозефсоновского тока с резонансными модами контактов в слабом магнитном поле ...................

92§ 5.3 Леггеттовская мода в купратных сверхпроводниках YBa2Cu3O7-x иTl2Ba2Ca2Cu3O10- .............................................................................................................. 101Основные результаты и выводы ..................................................................................... 108Заключение .......................................................................................................................... 110Литература ........................................................................................................................... 1113ВведениеВ конце 1986 года Йоханнес Георг Беднорц и Карл Александр Мюллеробнаружили сверхпроводимость в сложном оксиде La-Ba-Cu-O с критическойтемпературой Tс36 К [1].

Достижение комнатной температуры для сверхпроводимостиостается одной из наиболее значимых и актуальных задач ученых во всем мире.Открытиевысокотемпературнойсверхпроводимости(ВТСП)поставилозадачуопределения механизма спаривания в новом классе сверхпроводяших материалов. Досих пор окончательно этот вопрос не решен, однако он стимулировал научнуюактивность, способствуя развитию различных областей физики.В декабре 2014 г. появилась публикация о наблюдении высокотемпературнойсверхпроводимости в сероводороде [2]. Под высоким давлением в алмазныхнаковальнях в сероводороде А.П.

Дроздов, М.И. Еремец и И.А. Троян обнаружилисверхпроводимость при 190 К. C одной cтороны, это рекордное значение температурысверхпроводимости, подтверждающее предсказанное металлическое состояние вметаллическом водороде или обогащенных водородом материалах. А с другой стороны– это прямое подтверждение фононного механизма спаривания в высокотемпературныхсверхпроводниках [3].Для понимания явления ВТСП и построения новой микроскопической теориисверхпроводимости необходимо детальное изучение свойств электронной и фононнойподсистем, а также установление симметрии спаривания. Последнее требует отэкспериментальных методов высокого разрешения, как по энергии, так и поквазиимпульсу. Для изучения ВТСП привлекаются различные, взаимодополняющиеспектроскопические методики.

Фотоэмиссия с угловым разрешением позволилаустановитьформуповерхностиФерми,атакжеизмеритьзависимостьсверхпроводящей щели от волнового вектора. Для туннельной спектроскопии, которая4измеряет одночастичную плотность состояний с хорошим разрешением по энергии,разрешение по квазиимпульсу практически отсутствует, то есть реализуется обратнаяпо отношению к фотоэмиссии ситуация.

Глубина зондирования в оптическомэксперименте значительно больше по сравнению с туннельной спектроскопией,поскольку из-за низкой концентрации носителей свет проникает в ВТСП до 100 нм.Способность перечисленных спектроскопических методов обеспечивать информацию овеличине сверхпроводящей щели, ее анизотропии и симметрии является необходимойдля понимания природы сверхпроводимости и проверки различных теоретическихмоделей ВТСП.В 1999 году Абрикосовым была предложена теоретическая модель, хорошоописывающаяявлениевысокотемпературнойсверхпроводимостифононныммеханизмом спаривания [4-6]. В этой модели высокая критическая температура Tс вВТСП существует благодаря нахождению вблизи уровня Ферми протяженнойособенности ван Хова с высокой плотностью состояний [4-7].

В модели Абрикосоваосновную 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 в снаправлении в BSCCO джозефсоновских контактах [11,12], данными фотоэмиссионнойспектроскопии [13,14] и исследованиями изотопического эффекта [15,16].Втеоретической работе М. Тачики с соавторами обсуждается еще один вариантфононного механизма спаривания в ВТСП [17].Альтернативой фононному спариванию в ВТСП является спаривание наспиновых флуктуациях, амплитуда которых должна быть максимальна вблизи фазовогоперехода моттовский диэлектрик - сверхпроводник [18].

Сравнительно недавно былопредположено, что недодопированные купратные ВТСП c магнонным спариванием5характеризуются двумя щелевыми энергиями p и s [19]. Существующая в широкомтемпературноминтервалеT<T*большаящель(псевдощель)p,измеряемаяфотоэмиссионной или туннельной спектроскопией, характеризует энергию связи 2pкуперовских пар, остающихся в некогерентном состоянии при Т>Тс (Тс - критическаятемпература сверхпроводящего перехода сверхпроводника). Меньшая щель s(сверхпроводящая щель), измеряемая андреевской или рамановской спектроскопией,определяет минимальную энергию 2s возбуждения сверхпроводящего конденсата приT<Tс (Tс<T* в недодопированных образцах).