Терагерцовая фононная спектроскопия висмутовых купратов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М. В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК. 537. 312. 62Хоанг Хоай ВанТерагерцевая фононная спектроскопиявисмутовых купратовСпециальность - 01. 04. 09Физика низких температурАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико - математических наукМосква - 20122Работа выполнена на кафедре физики низких температур и сверхпроводимостифизического факультета МГУ им. М.В.

Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Пономарев Ярослав ГеоргиевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Пудалов Владимир Моисеевич(Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН)Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Фишер Леонид Михайлович(ФГУП ВЭИ, г. Москва)Ведущая организация: Институт общей физики им.

А.М.Прохорова РАНЗащита состоится“__4_” _октября__ 2012 года в ______ часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.70 при Московском Государственном Университетеим. М.В. Ломоносова по адресу: 119899 ГСП, Москва, Воробьевы Горы, д.1, стр.35,конференц-зал Центра Коллективного Пользования физического факультета МГУ. Сдиссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.Авторефератразослан “___”_____________2012г.Ученый секретарь Специализированного СоветаД 501.001.70 в МГУ им. М.В. Ломоносовадоктор физико – математических наук,профессорАктуальность темы исследованияГ.С.

Плотников3Актуальностьспектроскопиятемынастоящейдиссертациивисмутовыхкупратов”определяется“Терагерцеваяважностьюфононнаяисследованийфизических свойств высокотемпературных сверхпроводников, имеющих большоеприкладное значение в современной электротехнике. Следует отметить, что вплоть донастоящего времени механизм спаривания в высокотемпературных сверхпроводникахостается неясным. Отсутствуют систематические исследования специфики физическихсвойств джозефсоновских контактов на базе высокотемпературных сверхпроводников.В 1998 году в работе [1] был предсказан эффект неупругого туннелированиякуперовскихпарвджозефсоновскихконтактахнабазенетрадиционныхсверхпроводников со спариванием на спиновых флуктуациях.

Этот эффект долженсопровождаться излучением неравновесных магнонов. Неупругое туннелированиекуперовских пар в джозефсоновскихBi-2212 контактах на микротрещине (breakjunctions) было обнаружено экспериментально в работе [2]. Вопреки предсказаниямработы [1], на ВАХ контактов были найдены многочисленные особенности, связанныес возбуждением не магнонных, а фононных мод (раман-активные оптические фононы вдиапазоне частот до 20 ТГц). Вышеуказанный эффект полностью описывается теориейМаксимова, Арсеева и Масловой [3]и подтверждает сделанное Абрикосовым [4]предположение о сильном взаимодействии оптических фононов в окрестности центразоны Бриллюэна с электронной подсистемой в ВТСП.Недавно в экспериментальной работе [5] для оптимально допированного купратаBi-2212 была получена функция Элиашберга, содержащая единственный бозонный пик,энергия которого составляет примерно 40 мэВ, т.е. соответствует энергии магнитногорезонанса, обнаруженного ранее в этом материале с помощью нейтроннойспектроскопии[6].

Есливышеуказанная спектральная функция соответствуетдействительности, то спаривание в купратных сверхпроводниках с высокой степеньювероятности имеет магнонный характер. В последнем случае магнонная мода должнасильно взаимодействовать с электронной подсистемой и может быть легко обнаруженас помощью джозефсоновской спектроскопии. Характерной особенностью магнитногорезонанса является то, что его энергия (в отличие от фононных частот) изменяется сдопированием пропорционально критической температуре [6].

В этом случае вспектрах,полученныхспомощьюджозефсоновскойспектроскопии,долженнаблюдаться резонанс, частота которого будет зависеть от уровня допирования4кристаллов Bi-2212. Перемещение этого резонанса на фоне фиксированных фононныхчастот можно легко заметить.Настоящая работа посвящена, в частности, исследованию влияния допирования наэффект возбуждения оптических фононов в монокристаллах Bi-2212 и Bi-2223спомощью переменного джозефсоновского тока (джозефсоновская спектроскопия) вдиапазоне частот до 26 ТГц. Выполненные в настоящей работе исследования необнаружили заметной перестройки спектра оптических фононов у монокристалловвисмутовых купратов при изменении допирования в широких пределах.

Установлено,что в исследованных спектрах магнонный резонанс отсутствует. Отсюда следует, чтосоответствующая магнонная мода не взаимодействует заметным образом с электроннойподсистемой и не участвует в формировании сверхпроводящих свойств купратов. Сдругой стороны, полученные в настоящей работе спектры оптических фононовнаходятся в качественном согласии с функцией Элиашберга, рассчитанной в [7-9] изданных туннельной спектроскопии.

Эти результатыговорят в пользу моделифононного спаривания, предложенной А.А. Абрикосовым [4].В настоящей работе экспериментально исследован внутренний эффект Джозефсонав наноступеньках на поверхности криогенных сколов допированных монокристалловBi-2212, не подвергавшихся специальной обработке для изменения концентрациипримесного кислорода. Обнаружен дискретный характер щелевого смещения Vgn унаноступенек с разным числом дхозефсоновских контактов n: Vgn = n (2/e).Полученные в работе результаты подтвердили скейлинг сверхпроводящей щели s икритической температуры Тс в функции концентрации примесных дырок p,обнаруженный ранее у монокристаллов Bi-2212(La) [10].К теоретическим моделям, базирующимся на фононном механизме спаривания,следует отнести, в первую очередь, “сценарий” с протяженной сингулярностью ванХова (ПСВХ) [4].

Неоднократные попытки обнаружить ПСВХ в висмутовых купратахс помощью туннельной спектроскопии не привели к успеху [11].У образцов Bi-2212, близких к оптимальному допированию, в настоящей работеобнаружена резкая дополнительная структура на ВАХ стопочныхконтактов(внутренний эффект Джозефсона), которая может быть следствием существованияПСВХ в окрестности уровня Ферми. Полученные в работе экспериментальные данныеподтверждают “сценарий” с протяженной сингулярностью ван Хова, предложенный в[4].5Обнаруженная в настоящей работе гигантская нестабильность на ВАХобъясняется механизмом, предложенным недавно Красновым [12] и Шнидером [13].

Всоответствии с теоретической моделью Овчинникова, Кресина и Вольфа [14] этотэффект указывает на фононный механизм спаривания в ВТСП (модель Абрикосова [4]).Цель работы заключалась в исследовании влияния допирования на физическиесвойствависмутовыхкупратовспомощьютуннельной,джозефсоновскойиандреевской спектроскопии. В соответствии с поставленной целью решалисьследующие задачи:1.СравнительноеисследованиевнутреннегоэффектаДжозефсонавнаноступеньках на поверхности криогенных сколов ВТСП-монокристаллов Bi2212 и Bi-2223 с помощью туннельной, джозефсоновской и андреевскойспектроскопии.2. Исследование резонансного взаимодействия переменного джозефсоновскоготока с раман-активными оптическими фононами в диапазоне частот до 25 ТГц истимулированного излучения 2Δ- оптических фононов при рекомбинациинеравновесныхквазичастицвестественныхстопкахджозефсоновскихконтактов.3.

Исследование влияния допирования Bi-2212 и Bi-2223 на энергию электронфононных и 2Δ- фононных резонансов.4. Изучение влияния температуры на частоту электрон-фононных и 2Δфононных резонансов у наноступенек Bi-2212 и Bi-2223.5. Исследование влияния температуры на гигантские нестабильности ВАХнаноступенек с резко выраженной щелевой структурой при условии:Eopt. phon = 2Δ.Научная новизна работы и положения, выносимые на защитуОсновные новые научные результаты, полученные в диссертации, состоят вследующем:1.

Обнаружены и исследованы резонансы, возникающие на ВАХ Bi-2223 и Bi-2212джозефсоновских контактов в результате неупругого туннелирования куперовских пар.2. При Т = 4.2 К на dI/dV-характеристиках Bi-2223 джозефсоновских контактовобнаружены двухфононные резонансы: (OSr + Sr) и (OSr + Cu), с частотами соответственно 23.2 ТГц и 25.1 ТГц.63. Показано, что допирование образцов Bi-2212 и Bi-2223 не влияет заметным образомна спектр оптических фононов.4.

Установлено, что в исследованных спектрах магнонный резонанс отсутствует.5. Подтвержден скейлинг сверхпроводящей щели s и критической температуры Тс вфункции концентрации примесных дырок у допированных монокристаллов Bi-2212.6. Получены прямые доказательства существования внутреннего эффекта Джозефсона ввисмутовых купратах.7. Вблизи оптимального допирования обнаружена резкая дополнительная структура наВАХ стопочных Bi-2212- контактов, которая может быть следствием существованияпротяженной сингулярности Ван Хова (ПСВХ) в окрестности уровня Ферми.8. На ВАХ естественных Bi-2223-наноступенек (j║c) при гелиевых температурахобнаружены гигантские нестабильности, которые могут быть следствием стимулированного излучения оптических 2-фононов при рекомбинации протуннелировавшихквазичастиц.