Диссертация (Теоретический анализ транспорта зарядов и тепла в контактах с высокотемпературными железосодержащими сверхпроводниками)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. M.В.ЛомоносоваНа правах рукописиБурмистрова Ангелина ВладимировнаТеоретический анализ транспорта зарядов и тепла в контактахс высокотемпературными железосодержащими сверхпроводникамиСпециальность 01.04.04 – физическая электроникаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительдоктор физико-математических наукИ. А. ДевятовMосква 2013 г.ОглавлениеВведение4Глава 1 Микроскопическая теория зарядового транспорта в структурахс многозонными сверхпроводниками с необычными видами спаривания1.120Одномерная модель контакта нормального металла с однозонным сверхпроводником . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.2Двумерная модель контакта нормального металла с двухзонным сверхпроводящим пниктидом для нулевого угла разориентации границы иосей пниктида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . 291.3Двумерная модель контакта нормального металла с двухзонным сверхпроводящим пниктидом для ненулевого угла разориентации границы иосей пниктида . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381.4Усредненная проводимость контакта нормального металла с двухзоннымсверхпроводящим пниктидом для нулевого угла разориентации границыи осей пниктида . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451.5Выводы главы 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Глава 2 Теоретический анализ когерентного транспорта в структурах, содержащих многозонные сверхпроводники с межорбитальным типом сверхпроводящего спаривания2.153Проводимости N − Sp перехода в случае сверхпроводника Sp , описываемого s± и межорбитальной моделями сверхпроводящего спаривания . . .

542.2Джозефсоновский транспорт в S − c − Sp структуре . . . . . . . . . . . . 592.3Выводы главы 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Глава 3 Электронный транспорт через границу нормального металла сдвухзонным сверхпроводником с межзонным типом спаривания. 673.1Сверхпроводящие свойства многозонного материала с межзонным типомспаривания . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.2Температурная зависимость межзонного параметра порядка . . . . . . . 723.3Вольт-амперныехарактеристикипереходовнормальныйме-талл/многозонный сверхпроводник с межзонным типом спаривания . . . 743.4Выводы главы 3 .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 792Глава 4 Тепловой вентиль из сверхпроводящих гетероструктур с различными типами спаривания4.180Свойства рассматриваемой F − F ′ − S структуры. . . . . . . . . . . . . 80′4.2Электронный транспорт тепла в F − F − S структуре . .

. . . . . . . . . 854.3Выводы главы 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Глава 5 Электронный транспорт тепла в контакте нормального металлаи многозонного сверхпроводника. Подход матрицы рассеяния.5.1Матрица рассеяния контакта нормальный металл/двухзонный сверхпроводник5.292. .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Транспорт тепла в контакте нормальный металл/двухзонный сверхпроводник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975.3Выводы главы 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . 101Заключение103Список публикаций автора105Список литературы1073ВведениеАктуальность темыВ настоящее время значительный интерес проявляется к изучению электронных и сверхпроводящих свойств высокотемпературных железосодержащих пниктидов(соединений железа (Fe) с элементами из V группы: N, S, As, Sb, Bi ). В последниенесколько лет усилия ученых приложены к выяснению механизма спаривания и симметрии параметра порядка в таких соединениях, а также к пониманию их другихфизических свойств.Первое сообщение об обнаружении сверхпроводимости в железосодержащем соединении (а именно, в LaO1−x Fx F eAs) появилось еще в 2006 году, однако критическаятемпература была совсем небольшой: Tc = 3.5K.

Настоящий прорыв в физике высокотемпературных проводников произошел в 2008 году, когда было сообщено о сверхпроводимости с критической температурой Tc = 26K в допированном фтором соединенииLaO1−x Fx F eAs [1]. Вслед за этим было обнаружено, что замена La редкоземельными элементами приводит к большим значениям критической температуры, котораядостигает 55K в соединении SmO1−x Fx F eAs.Изучение высокотемпературной сверхпроводимости в железосодержащих соединениях (ферропниктидах) [1] чрезвычайно интересно как с фундаментальной, таки с прикладной точек зрения.

С фундаментальной точки зрения ферропниктиды интересны как многозонные сверхпроводники с возможно реализующимися в них какнеобычными симметриями параметра порядка, так необычными видами сверхпроводящего спаривания. В настоящее время популярна так называемая s± модель [2], предполагающая наличие двух изотропных параметров порядка в зонах ферропниктида, сосдвигом фаз π между фазами параметров порядка, обусловленным спиновыми флуктуациями. Одновременно предлагается более общая модель [3], учитывающая возможность как традиционного внутризонного сверхпроводящего спаривания [4], так и межзонного спаривания, т.е. возможность синглетного спаривания электронов, принадлежащих различным зонам многозонного металла.

При этом появление в гамильтонианечленов, ответственных за межзонное спаривание, следует из вида симметрии кристал-4лической решетки пниктидов [3].С прикладной точки зрения интерес представляет относительно высокое значение критической температуры Tc ферропниктидов, достигающее 50 K, их естественноесродство с ферромагнитным железом, поскольку железо является одним из элементов,из которых составлены пниктиды и есть экспериментальные данные об успешном напылении пленок пниктидов на железо. Таким образом, пниктиды являются единственными сверхпроводниками, естественно сочетающимися с ферромагнетиками. Такжеполезной для экспериментальных приложений является возможная изотропия параметра порядка пниктидов.

Перечисленное выше должно способствовать их болометрическим и микрорефрижераторным применениям.Наиболее важным является вопрос о том, какой должна быть минимальнаямодель F eAs-соединений, позволяющая объяснить основные свойства этих соединений и построить их зонную структуру наиболее приближенной к реальной. Расчетызонной структуры в приближении локальной плотности показывают, что зоны, формирующие наблюдаемые электронные и дырочные пакеты, сильно гибридизированы,но имеют в основном характер 3d-состояний железа.

Некоторые авторы полагают, чтогибридизация орбиталей железа так велика, что для построения минимальной моделинеобходимо учитывать все пять орбиталей F e. Так, например, была предложена пятиорбитальная модель F eAs-соединений [5]. Однако большое число степеней свободыв этой модели делает ее очень трудной для изучения с помощью численных методов.В дальнейшем было показано, что основной вклад в формирование зонной структурыдают орбитали dxz и dyz с небольшим вкладом dxy орбитали.

Таким образом, возниклаболее простая для изучения трехорбитальная модель [6]. Однако наиболее простой иудобной для изучения является двухорбитальная модель F eAs-соединений [7]. Применимость ее обосновывается следующими аргументами:1. В рамках этой модели получаемая форма поверхности Ферми является корректной.2.

Получаемые в этой модели две зоны действительно в основном созданы засчет вклада dxz и dyz орбиталей, за исключением небольшой порции электронногопакета, в создание которого внесла вклад и dxy орбиталь.3. Двухорбитальная модель является единственной моделью, которая можетбыть изучена с высокой точностью при помощи численных методов.Даже в рамках двухорбитальной модели спектр возбуждений железосодержа-5щих сверхпроводников характеризуется наличием двух зон. Число зон в спектре возбуждений возрастает при увеличении принимаемых во внимание количества орбиталейжелеза, которые вносят вклад в создание электронных свойств таких соединений, имаксимально может достигать пяти.Если в отношении электронной, а также магнитной структуры F eAsсоединений достигнут определенный консенсус, то в отношении симметрии параметрапорядка и механизма сверхпроводящего спаривания согласия нет; дискуссии в научном мире по поводу этого вопроса ведутся с самого момента открытия новых железосодержащих сверхпроводников и, видимо, в ближайшее время будут продолжаться.Применяемые в настоящее время экспериментальные методики приводят к противоречивым результатам, касающимся симметрии сверхпроводящего параметра порядка,числа щелей для конкретного соединения и наличия нулей параметра порядка на поверхности Ферми.Что же наблюдается в экспериментах? В туннельных экспериментах на точечных контактах, в которых измеряется ток через контакт нормального металла со сверхпроводником в зависимости от приложенного напряжения, для F eAs-соединения наоснове Sm наблюдали спектр, свидетельствующий о существовании одной щели величиной примерно 13, 3 мэВ [8].

Щель является изотропной (нулей щели на поверхности Ферми обнаружено не было), температурная зависимость щели ∆(T ) - обычногоБКШ-типа. Этот результат согласуется с данными исследования другого соединенияN dO0.9 F0.1 F eAs с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением [9]. Обнаружилась одна щель величиной примерно 15 мэВ, которая имела некоторую небольшую анизотропию.В работе [10] на образце SmO0.9 F0.1 F eAs получены несколько отличающиеся отпредыдущих результаты.

Наблюдалось две щели, кроме того, наблюдали пик при нулевом напряжении - так называемый zero-bias conductance peak. Появление этого пикасвидетельствует о сложной структуре щели с наличием нулей на поверхности Ферми.В работе [11] на образцах соединений SmOF eAs и LaOF eAs были обнаружены две щели, но нулей на поверхности Ферми не наблюдалось. В результате таких экспериментовневозможно установить фазовое соотношение между двумя наблюдаемыми щелями,однако полученные результаты не противоречат весьма популярной в настоящее времяs± модели. Результаты данной работы частично согласуются с данными работы [12],в которой также наблюдались две сверхпроводящие щели, но в данном эксперименте6было также обнаружено и существование zero-bias conductance peak.