Диссертация (Многощелевая сверхпроводимость допированных купратов), страница 4

Многоветвевая характеристика мезаструктуры на базе (Hg,Re)Ba2Ca2Cu3O8+δ,являющаяся следствием внутреннего эффекта Джозефсона по данным работы [29].Тонкая структура является следствием возбуждения фононных резонансов.1.1.2 Купратные металлооксиды Bi2Sr2Can-1CunO2n+4Купратныесемействовысокотемпературныесоединенийиотличаютсясверхпроводникинаиболееобразуютвысокимиобширноетемпературамисверхпроводящих переходов. В частности, в семействе соединений Bi2Sr2Can-1CunO2n+4хорошо изучены три фазы, относящиеся к ВТСП: Bi-2201 (Bi2Sr2Cu1O6+), Bi-2212(Bi2Sr2Ca1Cu2O8+) и Bi-2223 (Bi2Sr2Ca2Cu3O10+).

Структура этих соединений приведенана рис. 1.6.Структура наиболее простого соединения Bi-2201 содержит единичные CuO2плоскости, разделенные спейсерами (SrO-BiO-BiO-SrO).19Рис.1.6. Кристаллическая структура соединений Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 с n = 1, 2 и 3 [30].Структуры элементарных ячеек Bi-22I2 и Bi-2223 по сравнению с Bi-2201 включаютв себя соответственно одну или две дополнительные плоскости CuO2 и один илисоответственно два атома Ca, находящихся между этими плоскостями (спейсерыостаются неизменными, см. рис.

1.6).Широко используемое в прикладной сверхпроводимости соединение Bi-2212имеет орторомбическую структуру. В этой структуре, имеющей точечную группусимметрии mmm(D2h), на примитивную гранецентрированную ячейку приходится двеформульные единицы [30].Согласно существующим представлениям [5,31,32], допированные кристаллыкупратных сверхпроводящих соединений BSCCO, TBCCO и HBCCO представляют20собой естественную сверхрешетку типа S-I-S-I…, где S – тонкий сверхпрововодящийблок, содержащий одну или несколько CuO2 – плоскостей, интеркалированныхкальцием, I – слой изолятора (спейсер), осуществляющий, в частности, допированиеCuO2 - блоков при введении избыточного кислорода в центральную часть спейсера.

Таккак допирующая примесь находится вне CuO2–блоков, она не влияет заметным образомна время релаксации дырок в CuO2–плоскостях. Введение примесей (как магнитных,так и немагнитных) в CuO2–плоскости быстро подавляет сверхпроводимость. Вкупратных ВТСП спейсеры занимают до 80% процентов объема кристалла и толькооколо 20% объема приходится на сверхпроводящие CuO2 - блоки. Спейсеры играютважную роль в формировании электронного транспорта в с-направлении благодаряэффекту резонансного туннелирования [5,33].

При T<Tc допированный кристалл ВТСПведет себя как стопка сильно связанных между собой джозефсоновских контактов, исверхпроводящий ток в с-направлении, таким образом, имеет джозефсоновскийхарактер (слабая сверхпроводимость).ВысокотемпературнаясверхпроводимостьсоединенияBi-22I2(Bi2Sr2Ca1Cu2O8+) реализуется в блоках, содержащих по две CuO2 плоскости,интеркалированные кальцием. Две CuO2 плоскости эффективно взаимодействуют иобразуют единый сверхпроводящий слой с шириной d = 3 Å в джозефсоновской моделикристалла. Сверхпроводящие слои разделены изолирующими блоками (спейсерами,ширина t = 12 Å), состоящими из плоскостей SrO-BiO-BiO-SrO.Абрикосовым было показано, что все эти факты не противоречат фононномумеханизму спаривания носителей заряда в купратных ВТСП, сверхпроводимость вкоторых реализуется при определенных условиях в 2D CuO2-блоках с металлическойпроводимостью.211.1.3 Возможные механизмы спариванияКак уже говорилось во введении, Абрикосов предложил фононный механизмспаривания в ВТСП.

Такой же механизм обсуждается в работах [8-17]. В моделиАбрикосова основную роль в формировании потенциала спаривания играютвиртуальные оптические фононы с малыми волновыми векторами k. Благодаря такимфононам, спаривающиеся носители заряда удерживаются в окрестностях особенностейван Хова (рассеяние “вперед”, направления медь – кислород в CuO2- плоскостях(направления  – M в зоне Бриллюэна)).Следует отметить, что в хороших металлах взаимодействие электронов соптическими фононами с k  0 практически полностью подавлено из-за сильнойэкранировки свободными носителями. Абрикосовым было отмечено, что в ВТСП,которые являются ионными кристаллами, экранировка оптических фононов с k  0существенно ослаблена.Абрикосовымтакжепоказано,чтовблизиоптимальногодопированияпредэкспоненциальный фактор в выражении для критической температуры Тс теряетдебаевскую частоту 0, что и объясняет отсутствие изотопического эффекта уоптимально допированных образцов ВТСП.

С уходом от оптимального допированиядебаевскаячастотавновьпоявляетсявпредэкспоненциальномфакторе,иизотопический эффект восстанавливается. Последнее соответствует существующимэкспериментальным данным.Очевидно, что появление дефектов в сверхпроводящих CuO2 - плоскостяхприведет в первую очередь к размытию особенности ван Хова и, соответственно, кподавлениюсверхпроводимости.Дляполучениямаксимальнойкритическойтемпературы Tc max, таким образом, необходимо, чтобы уровень Ферми находился насингулярности ван Хова. Это делается с помощью допирования. Еще нужно, чтобы22плоскости CuO2 были по возможности бездефектны.

Допирование избыточнымкислородом ВТСП обеспечивает выполнение этих условий. Кислород изменяетконцентрацию в CuO2-плоскостях, находясь в центральной части изолирующих блоковвне этих плоскостей. Такой технологический прием в полупроводниковых структурахназывается дельта-легированием.В обзоре [18] были рассмотрены основные модели спин- флуктуационногомеханизмасверхпроводимости:наосновефеноменологическойдинамическойвосприимчивости и два модельных подхода, соответствующих пределам слабого исильного кулоновского отталкивания.

Попытка подтвердить модель магнонногоспаривания для ВТСП сделана в работах [22,23].23§ 1.2 Сверхпроводимость в сероводороде при высоком давленииДостижение комнатной сверхпроводимости является самой престижной цельюдля ученых, работающих в области физики сверхпроводимости, но цель этатруднодостижима. В статье, загруженной в arXiv в декабре 2014 [2], утверждается, чтосверхпроводимость наблюдается в сероводороде при высокой температуре в 190 K привысоком давлении, что побивает все ранее поставленные рекорды.

На рис. 1.7приведены зависимости сопротивления от температуры при разных давлениях дляисследованных образцов гидрида серы и дейтерида серы. Эти данные смещаюткупраты с положения самых высокотемпературных сверхпроводников. Такой результатозначает большой шаг вперед в сторону создания сверхпроводников при комнатнойтемпературе и также означает, что очень высокие температуры перехода могут бытьдостигнуты и в простых соединениях, которым является сероводород.Сероводород (H2S) при условиях окружающей среды – это газ, узнаваемый поего неприятному запаху.

Несмотря на химическое сходство с водой (H2O), он являетсяядовитым, воспламеняющимся, и взрывоопасным. H2S существует в природе, т.к.может выделяться в процессе бактериального разложения органической материи принедостатке кислорода, также он залегает в вулканах вместе с другими природнымигазами. Однако при сжатии его свойства полностью меняются.

Сначала он становитсямолекулярным твердым телом – изолятором.Затем молекулы распадаются, образуя атомное твердое тело, и, наконец, придавлении 96 Гпа 43[45] он становится металлом.Теперь, благодаря экспериментам, выполненным А. Дроздовым, М. Еремецем иИ. Трояном с помощью алмазных наковален (рис. 1.8), мы знаем, что сжатый до 200ГПа сероводород может быть сверхпроводником при температурах 190 K, что являетсясамой высокой критической температурой Tc из когда-либо наблюдавшихся [2].24Рис. 1.7. a - Зависимости сопротивления от температуры для гидрида и дейтерида серыпри разных давлениях. Давление при охлаждении поддерживалось постоянным (сточностью ≈5 ГПа). Сопротивление измерялось 4-х контактным методом с помощьюэлектродов, положенных на наковальни и касающихся образца, как показано на фото навставке. Диаметр образца 25 мкм, толщина1 мкм.

b – переходы в сверхпроводящеесостояние для дейтерида серы при р=164 Гпа и гидрида серы при р=177 Гпа [2].25Рис. 1.8. Алмазные наковальни для создания высоких давлений, в таких наблюдалирекордную сверхпроводимость сероводорода. Автор: Steven D. Jacobsen.На рис. 1.9 показан держатель для алмазных наковален, взятый из работы Steven D.Jacobsen. В Северо-Западной лаборатории физики минералов, используя прозрачныенаковальни из сверхтвердого материала алмаза можно воспроизводить условия,которые существуют глубоко внутри Земли и использовать давление, чтобымодифицировать структуру и физические свойства минералов или материалов.Рис. 1.9.

Держатель для алмазных наковален.26Каждая наковальня имеет высоту около 2,5 мм. Они очень точно отшлифованыи подогнаны друг к другу, что позволяет создавать статическое давление до 100 ГПа(это соответствует миллиону атмосфер, такое давление развивается в Земле на глубине3000 км). Образцы находятся в внутри в держателе из металла рения. В качествепередающей давление среды используется гелий. В этом случае можно избежатьразрушения образца под давлением. Алмаз удобен потому, что он прозрачен и ввидимом и в инфракрасном диапазоне, а также для рентгена. Это позволяетисследовать свойства материалов под давлением в экстремальных условиях.В качестве примера исследований на рис.